atp edition Energie sparen in geregelten Pumpensystemen (Vorschau)

9 / 2013
55. Jahrgang B3654
DIV Deutscher Industrieverlag GmbH
Automatisierungstechnische Praxis
Energie sparen in geregelten
Pumpensystemen | 26
Standardprofile für
elektrische Geräte | 34
Bewertung industrieller
Funklösungen | 44
Smart Meter Gateway als
Vorbild für die Automation | 58

atp edition – die Referenzklasse
der Automatisierungstechnik

EDITORIAL
Wertschöpfende Innovationen
flächendeckend umsetzen
Eine hohe Innovationsfähigkeit ist existenziell für die Prozessindustrie in
Deutschland. Dies betrifft nicht nur das Kerngeschäft der verfahrenstechnischen
und chemischen Prozesse, sondern auch die unterstützenden Gewerke. Die Automatisierungstechnik
als wesentlicher Enabler für Operational Excellence muss
selbst eine führende Rolle als Innovationstreiber übernehmen.
Die größte Herausforderung besteht allerdings darin, Innovationen flächendeckend
umzusetzen. Denn aufgrund der langen Lebensdauer einer verfahrenstechnischen
Anlage finden wir in der Regel eine heterogene Landschaft verschiedener
Automatisierungsgrade und -systeme unterschiedlicher Generationen und Releases
vor. Betreiber meiden Eingriffe in eine laufende Anlage, sodass nur die kurzen
Abstellzeiten beispielsweise für Upgrades genutzt werden können. Selbst etablierte
Technologien erfahren keinen homogenen Durchdringungsgrad. So gibt es auch
heute noch pneumatische Mess-und Regelungstechnik.
Die Basis für die Implementierung einer neuen Technologie ist somit nicht gegeben
und muss erst durch weitere Investitionen geschaffen werden. Darüber hinaus
sind die Betreiber nicht immer bereit, für einen potenziellen Nutzen in der Zukunft
die notwendigen personellen Ressourcen zur Implementierung innovativer Lösungen
zur Verfügung zu stellen. Die Umsetzungsrate von neuen wertschöpfenden
Technologien könnte also höher sein.
Auf der anderen Seite steht der Automatisierer einem Innovations-Tsunami gegenüber.
Getrieben durch die IT- und Consumer-Elektronik werden auch in der
Automatisierung unzählige Innovationen als Produkte in einem sehr frühen Stadium
in den Markt gedrängt, teils von neuen unbekannten Lieferanten. Für den
Anwender stellt sich die Frage: Welcher Trend und welches Produkt bedeutet wirklichen
Mehrwert für den internen Kunden, und welcher Lieferant wird sich langfristig
am Markt behaupten können? Daneben gilt es, mögliche unerwünschte Folgen
abzuschätzen, wie die kurzen Migrationszyklen durch Standard-IT-Komponenten.
Der Betreiber erwartet Investitionssicherheit und verlässlich abgeschätzte
Folgekosten. Auch die Automation Security wird immer drängender und die Lösungen
müssen den hohen Sicherheits- und Verfügbarkeitsanforderungen in der
Prozessindustrie genügen. Es bedarf also eines umfassenden Selektions- und Validierungsprozesses,
der die Umsetzungsgeschwindigkeit hemmt.
Um diesen Herausforderungen und speziellen Randbedingungen zu begegnen,
benötigt die Prozessindustrie eine eigene, hohe Beurteilungs- und Implementierungskompetenz.
Nur damit wird es gelingen, auf die richtigen Technologien und
Lieferanten zu setzen und die Umsetzung effizient beim Betreiber zu realisieren.
Diese Kompetenz hilft auch dabei, mit den Lieferanten die Herausforderungen zu
definieren, die mit neuen Innovationen gelöst werden könnten – und nicht die
Herausforderungen zu finden, die zu angebotenen Innovationen passen. Natürlich
ist die Standardisierung gerade der Schnittstellen zwischen Komponenten ein
wichtiges Element für langlebige und abwärtskompatible Lösungen. Auch die Namur
und Hochschulen könnten an dieser Stelle eine wichtige Rolle spielen, noch
stärker die wirklichen Bedarfe und Randbedingungen für innovative Lösungen zu
formulieren. Gerade bei der Umsetzung von Innovationen ist Effizienz und Effektivität
gefragt, um kurz- und langfristig die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern.
DR. ANDREAS
WERNSDÖRFER,
BASF SE, Leiter Automatisierung
und Elektrotechnik
atp edition
9 / 2013
3

INHALT 9 / 2013
FORSCHUNG
6 | Dreifacherfolg für Deutsche Studenten
beim internationalen Wettbewerb iCan 2013
3D-Technologien stärker für Prozesstechnik nutzen
Call for atp experts – Thema: Advanced Process Control
7 | Hochschule Harz will Geschwindigkeitsrekord
VERBAND
8 | GMA richtet Weltkongress der Regelungstechnik in Berlin aus –
mehr als 2 500 Experten erwartet
NE 138: Prozessleittechnik und Explosionsschutz
Ausfallmechanismen in der Elektronik beherrschen
9 | Neue Fachgruppe „Vernetzte Sicherheit“
Cenelec: DKE-Experte ist Vizepräsident Technik
BRANCHE
10 | Der Markt für Automatisierungstechnik
in der Stromversorgung wächst weiter
Richtlinie zur IT-Security in der industriellen Automation:
Anwendungsbeispiel LDPE-Anlage
VDI 3694: Lasten- und Pflichtenheft für den Einsatz
von Automatisierungssystemen
11 | Großaufträge verschaffen den Bestellungen
in der Elektroindustrie ein deutliches Plus
INTERVIEW
12 | „Ich weiß jetzt, wie ich mich bei einem
Vorstellungsgespräch verhalten muss“
GRISHMA RAJ PANDEYA, STUDENT DER ELEKTRO- UND COMPUTERTECHNIK
IM ZWEITEN STUDIENJAHR AN DER JACOBS UNIVERSITY BREMEN IM INTERVIEW MIT atp edition
4
atp edition
9 / 2013

PRAXIS
14 | Offene Architektur ermöglicht
maßgeschneiderte Steuerungssoftware
für die CNC-Maschinen
16 | Mit Hilfe additiver Verfahren entstehen
Endprodukte: Potenziale von
Rapid Manufacturing besser nutzen
18 | Roboter simulieren Sinneswahrnehmungen
für angehende Chirurgen sehr realitätsnah
20 | Teamarbeit von Konstruktion und
Dokumentation garantiert Risikobeurteilung
aus einem Guss
22 | Wireless vom Feld in die Welt: Sicher drahtlos
kommunizieren im Automatisierungsumfeld
Produkte,
Systeme
und Service
für die
Prozessindustrie?
Natürlich.
HAUPTBEITRÄGE
26 | Energie sparen in geregelten
Pumpensystemen
W. SCHICKETANZ
34 | Standardprofile für elektrische Geräte
J. GREIFENEDER, D. SCHULZ UND P. RODRIGUEZ
44 | Bewertung industrieller Funklösungen
U. MEIER UND L. RAUCHHAUPT
58 | Smart Meter Gateway als
Vorbild für die Automation
A. SIKORA
System 800xA 5.1 hilft Anlagen
noch effizienter zu betreiben
und die Produktivität und Rentabilität
zu verbessern. Dies wird durch
gesteigerte Bediener-Effizienz,
optimiertes Handling bei Batch-
Produktion, effizientere Sequenzkonfiguration,
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Asset-Verwendung und optimierte
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RUBRIKEN
3 | Editorial
66 | Impressum, Vorschau
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FORSCHUNG
Dreifacherfolg für Deutsche Studenten beim
internationalen Wettbewerb iCan 2013
Über einen großen Erfolg können sich die drei Siegerteams
des VDE/BMBF-Wettbewerbs Cosima freuen: Sie
belegten auch die ersten Plätze beim internationalen Studentenwettbewerb
iCan 2013 in Barcelona, der sich rund
um das Thema Mikrosystemtechnik dreht. Dort traten 19
Teams aus China, Taiwan, Japan, Singapur, Hongkong, Neuseeland,
USA, Schweiz und Deutschland vor die internationale
Jury. Der erste Preis und 2000 US-Dollar gingen an
Franziska Emmerich, Caroline Schultalbert, Florian Bansemer
und Tizian Schneider vom Team Quasimodo der
Universität des Saarlandes. Sie überzeugten mit einem Projekt,
das die Stellung der Wirbelsäule mittels 3-D Winkelsensoren
erfasst und zur Rückengesundheit beitragen soll.
Den zweiten Preis und 1000 Dollar erhielten Ye Ji Park,
Simone Rudolph, Johannes Bilz und Tobias Fritzsche von
der TU Darmstadt, die mit einem intelligenten Brems- und
Identifikationssystem die Sicherheit von Kinderwagen erhöhen
wollen. Mit dem Projekt xPanel landeten Sabrina
Lederer, Katja Meinel, Tommy Müller, Björn Kretschmar,
Sebastian Stelzner und Michael Schramm von der Westsächsischen
Hochschule Zwickau auf Platz Drei. Sie präsentierten
ein intelligentes System zur Beleuchtung von
Gehwegen und freuten sich über 500 Dollar Preisgeld.
iCan ist eine chinesische Initiative, die im Rahmen der
internationalen Tagung Transducers stattfindet. Qualifizieren
können sich jeweils die drei Siegerteams der Wettbewerbe
aus den Teilnehmerländern, unter anderem
Deutschland mit dem Wettbewerb Cosima. In diesem
Wettbewerb, den der VDE und das Bundesministerium für
Bildung und Forschung (BMBF) ausrichten, entwickeln
Studierende der Elektro- und Informationstechnik sowie
Interessierte anderer Fachrichtungen neuartige Anwendungen
für Mikrosysteme.
(gz)
VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK
INFORMATIONSTECHNIK E.V.,
Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.vde.com
3D-Technologien stärker für Prozesstechnik nutzen
Die 3D-Technologien sollten schneller und intensiver
für die Prozesstechnik genutzt werden. Diese Forderung
erhebt der temporäre Arbeitskreis Virtual Reality &
Laserscanning von Processnet, der gemeinsamen Initiative
von Dechema und VDI-GVC. In einer Stellungnahme
kritisiert der Arbeitskreis, dass der 3D-Einsatz in Deutschland
zu langsam voranschreite. Es bestehe akuter Entwicklungsbedarf
hinsichtlich der Entwicklung neutraler offener
Formate und Datenmodelle, beim Datenmanagement,
bei Prozessmodellen und bei Mixed- beziehungsweise
Augmented-Reality-Anwendungen. Noch sei der Entwicklungsrückstand
gegenüber anderen Weltregionen aufhol-
bar. Forschung und Entwicklung in Deutschland zeigten
zwar in die richtige Richtung. Die Zeit bis zur Markteinführung
für in der Realität anwendbare Applikationen
oder neutrale Schnittstellen sei aber unbefriedigend. Erforderlich
sei eine „signifikante Erhöhung“ der Anzahl
der Forschungsprojekte und ihre Beschleunigung. (gz)
DECHEMA, GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE
TECHNIK UND BIOTECHNOLOGIE E.V.,
Theodor-Heuss Allee 25,
D-60486 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 756 40, Internet: www.dechema.de
Call for atp experts – Thema: Advanced Process Control
DIE AUSGABE 56(3) DER ATP EDITION im
März 2014 stellt praxisrelevante Ansätze
zur effizienten Prozessführung und -überwachung
vor. Steigende Anforderungen an
Wirtschaftlichkeit und Sicherheit stellen
auch höhere Anforderungen an die Ausführung
der Regelungstechnik. Bereits über
die Überwachung und Optimierung bestehender
Basisregelkreise durch Reglermanagementsysteme
kann erhebliches Potential
gehoben werden.
Wo dies nicht ausreicht, sind höhere Regelund
Optimierungsverfahren gefragt. Hier
liegen die Herausforderungen in der Integration
dieser modernen Verfahren in Automatisierungs-
und Prozessleitsysteme, im
nachhaltigen Transfer in die Betriebe, der
effizienten Anpassung an unterschiedliche
Betriebsbedingungen und der Pflege sowie
der Nachführung bei Anlagenänderungen.
Wir bitten Sie bis zum 15. Oktober zu diesem
Themenschwerpunkt einen gemäß der
Autorenrichtlinien der atp edition ausgearbeiteten
Hauptbeitrag per E-Mail an urbas@di-verlag.de
einzureichen.
Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation
für Fach- und Führungskräfte der
Automatisierungsbranche. In den Hauptbeiträgen
werden die Themen mit hohem wissenschaftlichem
und technischem Anspruch
und vergleichsweise abstrakt dargestellt.
Alle Beiträge werden von einem Fachgremium
begutachtet. Sollten Sie sich selbst aktiv
an dem Begutachtungsprozess beteiligen
wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.
Für weitere Rückfragen stehen wir Ihnen
selbstverständlich gern zur Verfügung.
Ihre Redaktion der atp edition: Leon Urbas,
Anne Purschwitz, Aljona Hartstock
CALL FOR
Aufruf zur Beitragseinreichung
Thema: Advanced Process Control
Kontakt: urbas@di-verlag.de
Termin: 15. Oktober 2013
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Hochschule Harz will
Geschwindigkeitsrekord
WELTREKORD ANGEPEILT: Dipl.-Ing. Mladen Joncic,
Dr. Matthias Haupt, Studentin Sabrina Hoppstock
und Prof. Dr. Ulrich Fischer-Hirchert (v.l.n.r.) vom
Fachbereich Auto matisierung und Informatik der
Hochschule Harz erwarten einen Geschwindigkeitsweltrekord
bei der Datenübertragung. Bild: HS Harz
Beim „International Students and Young Scientists
Workshop“ des IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers) in der sächsischen Oberlausitz zeigten
Nachwuchswissenschaftler der Hochschule Harz innovative
Entwicklungen des Photonic Communications Lab.
Den Höhepunkt bildete die Präsentation von Mladen Joncic,
der neueste Forschungsergebnisse im Bereich der hochbitratigen
Datenübertragung mittels Kunststofflichtwellenleiter
vorstellte. Ihm gelang es, ein Bauteil im Labormaßstab
zu entwickeln, das mit sehr geringen Verlusten die
Anwendung des Wellenlängenmultiplexverfahrens für
vier Farben durch sichtbare Halbleiter-Laser ermöglicht.
Diese Ergebnisse sind innerhalb des Verbundprojektes
Hope (Hochgeschwindigkeitsnetze über optische Polymerfasern)
an der Hochschule Harz entstanden.
Projektleiter Dr. Matthias Haupt zeigte sich begeistert:
„Unser Ziel ist es, in Zukunft Datenraten über 10 Gbit/s
zu erreichen. Trotz des frühen Stadiums ist das vorgestellte
Projekt so vielversprechend und wohl weltweit
einmalig, dass wir damit rechnen, einen neuen Geschwindigkeitsrekord
für Kunststofflichtwellenleiter aufzustellen.“
Der Ingenieur erklärte auch Hintergründe und
Anwendungsbereiche: „Solche Projekte bringen überall
dort Nutzen, wo hohe Datenraten gebraucht werden und
nur kurze Entfernungen zu überbrücken sind.“
Bei dem IEEE-Workshop stellte die Hochschule Harz als
einzige Fachhochschule eigene Beiträge vor und war mit
insgesamt fünf Präsentationen durch das Photonic Communications
Lab überdurchschnittlich stark vertreten. Bei
der Veranstaltung, die von Instituten der TU Dresden und
der TU Wroclaw organisiert und durchgeführt wurde,
trafen sich über 40 junge Wissenschaftler aus Europa, die
unter dem Titel „Photonics and Microsystems“ über neueste
Entwicklungen im Bereich der optischen Technologien,
der Informations- und Kommunikationstechnik sowie
der Mikrosysteme diskutierten.
(gz)
HOCHSCHULE HARZ,
Friedrichstr. 57-59, D-38855 Wernigerode,
Tel.+49 (0) 3943 65 90, Internet: www.hs-harz.de

VERBAND
GMA richtet Weltkongress der Regelungstechnik
in Berlin aus – mehr als 2 500 Experten erwartet
Der 21. Weltkongress der Regelungs- und Automatisie
rungstechnik wird im Jahr 2020 in Berlin stattfinden.
So entschied das Council der International Federation of
Automatic Control (IFAC) Ende Juli in Zürich. Dabei
setzte sich Deutschland mit der VDI/VDE-Gesellschaft
Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) in der End
DAS DEUTSCHE TEAM freute sich nach der Entscheidung in Zürich über
den Zuschlag für den Weltkongress: Prof. Detlef Zühlke, Prof. Sandra Hirche,
Prof. Ulrich Jumar, Prof. Frank Allgöwer, Prof. Stefan Kowalewski, Prof. Lars
Grüne, Prof. Rolf Findeisen, Prof. Birgit Vogel-Heuser, Dieter Westerkamp,
Prof. Jörg Raisch, Prof. Thomas Meurer (v.l.n.r). Bild: GMA
ausscheidung gegen Japan und die USA durch. Im Juli
2020 werden in Berlin über 2500 Experten der Regelungsund
Automatisierungstechnik aus aller Welt erwartet.
„Dies ist ein gutes Zeichen für die Forschung, die Leh
re und die Industrie der Regelungs- und Automatisie
rungstechnik in Deutschland“, so Dieter Westerkamp. Der
GMA-Geschäftsführer ergänzt: Diese Veranstaltung „ist
ein wenig als ‚Weltmeisterschaft‘ unserer Fachdisziplin
anzusehen, die in sieben Jahren in Deutschland ausgetra
gen wird – das wird unser Fachgebiet und unsere Com
munity sicher fördern.“
Damit wird der Weltkongress zum zweiten Mal nach
1987 in Deutschland ausgetragen. Damals kamen rund
1500 Teilnehmer nach München. Bis 2020 werden noch
die Kongresse 2014 in Kapstadt (Südafrika) und 2017 in
Toulouse (Frankreich) stattfinden.
Mit der Entscheidung für Berlin als Austragungsort
steht auch fest, dass Deutschland von 2017 bis 2020 den
Präsidenten der IFAC stellen wird. Dazu wurde Prof. Dr.-
Ing. Frank Allgöwer (Universität Stuttgart) gewählt, der
Deutschland bereits seit längerer Zeit im höchsten Gre
mium der IFAC vertritt.
(gz)
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)
VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de
NE 138: Prozessleittechnik und Explosionsschutz
Neben dem durch gerätespezifische Normen zum Explo
sionsschutz geregelten Bereich werden Explosions
schutz-Maßnahmen auch mit Mitteln der Prozessleittech
nik erreicht oder überwacht. Die neue Namur-Empfehlung
NE 138 beschreibt Anforderungen an PLT-Einrichtungen
zur Realisierung von Explosionsschutzmaßnahmen. Sie
baut auf die Gefährdungsbeurteilung zum Explosions
schutz auf Basis der entsprechenden Technischen Regeln
zur Betriebssicherheit auf. Die Beispiele in NE 138 zielen
darauf, neben SIL-bewerteten Maßnahmen auch andere
bewährte Verfahren zu betrachten. Es wurde Wert darauf
gelegt, dass sich die Beispiele in der NE 138 an den Grund
sätzen des zukünftigen Teils 5 der TRBS 2152 orientieren.
NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,
c/o Bayer Technology Services GmbH,
Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,
Tel. +49 (0) 214 307 10 34, Internet: www.Namur.de
Ausfallmechanismen in der Elektronik beherrschen
Unerwartetes Verhalten von Embedded Systems kann
erhebliche Auswirkungen auf Menschen und Umwelt
haben. Systematische Entwicklungsfehler, zufällige
Hardwarefehler oder der Einsatz erprobter elektronischer
Baugruppen in neuen Umgebungen mit nicht beachteten
Einflussfaktoren können Gründe für den folgenreichen
Ausfall elektronischer Baugruppen sein. Die VDIKonfe
VDI-Konfe
renz ‚Smart Systems Reliability‘ am 25. und 26. Septem
ber 2013 in Freiburg diskutiert daher neue Möglichkeiten,
um die Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit von
elektronischen Baugruppen zu erhöhen. So wird unter
anderem thematisiert, dass Fachleute nur durch genaue
Kenntnis von Ausfallmechanismen, Fehlerquellen und
Einflussfaktoren die Zuverlässigkeit von Smart Systems
bereits beim Design erhöhen und mittels abgestimmter
Teststrategien sicherstellen können. Diskutiert wird auch
die gesetzlich vorgeschriebene und technisch notwen
dige Redundanz bei sicherheitskritischen Systemen. Wei
tere Informationen unter www.vdi.de/reliability. (gz)
VDI WISSENSFORUM GMBH,
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 621 42 01,
Internet: www.vdi-wissensforum.de
8
atp edition
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Neue Fachgruppe
„Vernetzte Sicherheit“
Auf der konstituierenden Sitzung
der ZVEI-Fachgruppe ‚Vernetzte
Sicherheit‘ in der ZVEI-Arbeitsge
meinschaft Errichter und Planer wur
de Norbert Stühmer, Bosch Sicher
heitssysteme, zum Vorsitzenden ge
wählt. Stellvertreter wurde Jochen
Sauer, Axis Communications.
„Die digitale Vernetzung aller si
cherheitstechnischen Gewerke
nimmt rasant zu. Zum Einsatz kom
men insbesondere Komponenten aus
der IT-Technik und immer mehr Soft
ware. Wir werden deshalb Informati
onen und Hilfestellungen zur ein
heitlichen Vernetzung von Sicher
heitsanlagen erarbeiten“, erläutert
Stühmer die Ziele der Fachgruppe.
Künftig sollen Schnittstellendefiniti
onen, Datenschutz und IT-Sicherheit
sowie rechtliche Rahmenbedin
gungen und Normen zur Schaffung
von Planungssicherheit im Mittelpunkt der Arbeit stehen.
Die Fachgruppe erwartet veränderte Anforderungen an
das Planen und Errichten von Sicherheitsanlagen, an In
standhaltung sowie Aus- und Weiterbildung. „Errichter
und Planer benötigen künftig wesentlich mehr IT- und
Softwarekenntnisse“, beschreibt Stühmer die Auswir
kungen der Digitalisierung.
(gz)
ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-
UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,
Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org
NORBERT
STÜHMER will
mit der ZVEI-Fachgruppe
„Vernetzte
Sicherheit“ Informationen
und
Hilfestellungen
zur einheitlichen
Vernetzung von
Sicherheitsanlagen
erarbeiten. Bild: ZVEI
Cenelec: DKE-Experte ist
Vizepräsident Technik
Uwe Kampet, Normungsexperte der DKE Deutsche Kom
mission Elektrotechnik Elektronik Informationstech
nik im DIN und VDE (VDE/DKE), ist zum neuen Vizeprä
sidenten Technik des Europäischen Komitees für Elektro
technische Normung Cenelec gewählt worden. Er tritt zum
1. Januar 2014 die Nachfolge des bisherigen Amtsinhabers
Carlo Masetti aus Italien an.
In seiner zweijährigen Amtszeit besteht seine Hauptauf
gabe im Vorsitz des technischen Lenkungsausschusses
(BT) des Cenelec. Uwe Kampet ist bei der BSH Bosch Sie
mens Hausgeräte GmbH tätig und seit 2008 stellvertre
tender Vorsitzender des Technischen Beirats Internationa
le und Nationale Koordinierung der VDE/DKE. (gz)
DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK
ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE,
Stresemannallee 15,
D-60596 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.dke.de
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Verdrahtung und Spannungsversorgung der
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BRANCHE
Der Markt für Automatisierungstechnik
in der Stromversorgung wächst weiter
Die Investitionen der Stromerzeuger in Automatisierungstechnik
werden weiter wachsen. Zu diesem
Ergebnis kommt eine aktuelle Marktstudie der ARC Advisory
Group über Automatisierungs- und Softwareinvestitionen
der stromerzeugenden Industrie.
Nach der Krise hätten die Aktivitäten der Stromerzeuger
seit 2010 wieder zugenomen. In den entwickelten
Ländern seien die Investitionen in die Modernisierung
der Netze geflossen, während aufstrebende Länder ihre
Stromversorgung ausbauen, China verfolge hier ambitionierte
und langfristige Projekte. Hinzu komme ein Wiederaufleben
der Aktivitäten bei Kraftwerksprojekten,
besonders bei Gas- und Dampfkraftwerken (GuD). In den
entwickelten Ländern wird ARC zufolge der Schwerpunkt
auf der Steigerung der Effizienz und der Reduzierung
der Emissionen liegen. Die Schwellenländer, insbesondere
China, befinden sich im Technologiewechsel von
Kohlekraftwerken zu Kernkraftwerken und regenerativer
Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie. In
Deutschland und der Schweiz werde infolge der Reaktorkatastrophe
in Fukushima Kernkraft durch neue GuD-
Kraftwerke und regenerative Stromerzeugung ersetzt.
Die höchsten Wachstumsraten erwartet ARC bei der Stromerzeugung
in Asien und Lateinamerika. Schon 2016 werde
auf Asien ein fast ebenso hoher Marktanteil entfallen
wie auf die Emea-Region (Europa, Mittlerer Osten und
Afrika). In Lateinamerika sei Brasilien der größte Markt für
Automatisierungstechnik. Die Emea-Länder und Nordamerika
dürften bei der Automatisierungstechnik für die
Stromversorgung nur unterduchschnittlich wachsen. (gz)
ARC ADVISORY GROUP,
Boston, USA, 3 Allied Drive, Dedham, MA 02026,
Tel. +1 781 471 11 75, Internet: www.arcweb.com
Richtlinie zur IT-Security in der industriellen
Automation: Anwendungsbeispiel LDPE-Anlage
Seit Juni ist die Richtlinie VDI/VDE 2182 Blatt 3.3 Informationssicherheit
in der industriellen Automatisierung
– Anwendungsbeispiel des Vorgehensmodells in der Prozessautomation
für Betreiber – LDPE-Anlage erhältlich.
Das allgemeine Vorgehensmodell der Richtlinie VDI/
VDE 2182 Blatt 1 wird in diesem Dokument aus Sicht des
Betreibers mit dem Ziel bearbeitet, die Relevanz von
Blatt 1 und dessen Praktikabilität unter Beweis zu stellen.
Blatt 3.3 beschreibt die in der Richtlinie VDI/VDE 2182
Blatt 1 definierte Vorgehensweise und deren Randbedingungen
aus der Sicht eines Betreibers anhand einer LDPE-
Anlage als konkretem Beispiel. Die Anwendung des Vorgehensmodells
führt zu angemessenen Schutzmaßnah-
men und zur Dokumentation der Security-relevanten Eigenschaften
der LDPE-Anlage. Weitere Blätter beschreiben
die Anwendung des Vorgehensmodells aus VDI/VDE 2182
Blatt 1 sowohl für die Fabrikautomation (VDI/VDE 2182
Blatt 2.1, Blatt 2.2, Blatt 2.3) als auch für die Prozessautomation
(Blatt 3.1 und Blatt 3.2) aus Sicht des Herstellers,
des Integrators/Maschinenbauers und des Betreibers. (gz)
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)
VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de
10
VDI 3694: Lasten- und Pflichtenheft für
den Einsatz von Automatisierungssystemen
Die Auslegung und Realisierung von Automatisierungssystemen
im Anlagenbau wird aufgrund zunehmender
Anforderungen immer komplexer. Umso wichtiger ist die
genaue Spezifikation des zu realisierenden Automatisierungssystems
im Vorfeld. Hierüber müssen sich Besteller
beziehungsweise Betreiber, Planer und Lieferant sehr genau
abstimmen. Die neue Richtlinie VDI/VDE 3694 stellt
die wesentlichen Aspekte zusammen, die bei Planung,
Realisierung und Betrieb von Automatisierungssystemen
von Bedeutung sein können und gibt einen Gliederungsvorschlag
für Lasten- und Pflichtenhefte.
Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen
an das Automatisierungssystem werden in der Richtlinie
ebenfalls festgelegt. Die Zusammenarbeit zwischen Betreiber,
Planer und Lieferant wird deutlich vereinfacht.
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Mit der VDI/VDE 3694 wird die Investitionssicherheit für
den Betreiber erhöht, da alle möglichen Varianten und
Anforderungen an die Automation bereits im Vorfeld berücksichtigt
und spezifiziert werden.
Die Richtlinie ist als Entwurf beim Beuth Verlag in Berlin
erhältlich. Einsprüche sind elektronisch bis 30. September
2013 über das Einspruchsportal unter www.vdi.
de/einspruchsportal möglich.
(gz)
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)
VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 621 40,
Internet: www.vdi.de

Großaufträge verschaffen den Bestellungen
in der Elektroindustrie ein deutliches Plus
Stark getrieben durch Großaufträge sind die Bestellungen
in der deutschen Elektroindustrie im Juni um
11,7 Prozent gegenüber dem Vorjahr gestiegen, wie der
Branchenverband ZVEI mitteilte. Aus dem Inland gingen
4,3 und aus dem Ausland 17,9 Prozent mehr Aufträge ein
als vor einem Jahr. Die Bestellungen aus dem Euroraum
legten um 13, die aus Drittländern um 20,5 Prozent zu.
„Aufgrund des kräftigen Zuwachses im Juni befindet
sich nunmehr auch die Gesamtheit der im ersten Halbjahr
2013 eingesammelten Aufträge im Plus“, sagte ZVEI-
Chefvolkswirt Dr. Andreas Gontermann.
So übertrafen die ersten sechs Monate den Vorjahreswert
um 1,6 Prozent. Einem Rückgang im Inland um 1,2
steht ein Anstieg im Ausland um 4,2 Prozent gegenüber.
Aufträge aus dem Euroraum legten zwischen Januar und
Juni um 0,3 Prozent zu. Aus Ländern außerhalb des Währungsraums
gingen dagegen 6,6 Prozent mehr Bestellungen
ein. „Alles in allem bleibt der Kurs der Auftragseingänge
von großen Schwankungen geprägt und damit
noch recht undurchsichtig“, so Gontermann. Die preisbereinigte
Produktion lag im Juni dieses Jahres 3,3 Prozent
unter dem Vorjahreswert. Kumuliert von Januar bis
Juni sank sie um 4,1 Prozent. Die Erlöse der Elektrounternehmen
beliefen sich im Juni 2013 auf 14,3 Milliarden
Euro (minus 3,4 Prozent gegenüber dem
Vorjahr). Das ergab sich aus einem Minus
von 5,2 Prozent im Inland, einem
Rückgang um 10,8 Prozent in der Eurozone
und einem Plus von 4,6 Prozent in
den übrigen Märkten.
Nach zwei Anstiegen in den beiden
Vormonaten hat das Geschäftsklima in
der deutschen Elektroindustrie im Juli
leicht nachgegeben. So bewerten 27
Prozent der Firmen ihre gegenwärtige
Situation als gut, 52 Prozent als stabil
und 21 Prozent als schlecht. Gleichzeitig
gehen 26 Prozent der deutschen
Elektrounternehmen von einer anziehenden
Geschäftstätigkeit in den näch-
Bild: ZVEI
sten sechs Monaten aus, 65 Prozent der Firmen rechnen
mit gleichbleibenden Aktivitäten, neun Prozent der Betriebe
erwarten Rückgänge.
(gz)
ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-
UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,
Lyoner Straße 9, 60528 Frankfurt am Main,
Tel. +49 69 630 20, Internet: www.zvei.org
DR. ANDREAS
GONTERMANN:
„Aufgrund des
kräftigen Zuwachses
im Juni befindet sich
nunmehr auch die
Gesamtheit der im
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INTERVIEW
„Ich weiß jetzt, wie ich mich
bei einem Vorstellungsgespräch
verhalten muss“
Grishma Raj Pandeya, Student der Elektro- und Computertechnik im zweiten
Studienjahr an der Jacobs University Bremen im Interview mit atp edition
Die Jacobs University Bremen bietet gemeinsam mit der Euro Engineering AG ein Mentoring-Programm
an, das Studenten den Einstieg in das Berufsleben erleichtern soll. Mitarbeiter des Unternehmens unterstützen
die Studenten als Mentoren bei der Suche nach dem passenden Beruf, stellen Kontakte zu anderen
Firmen her und geben Tipps zur Bewerbung. Der 22-jährige Nepalese Grishma Raj Pandeya ist einer der
Studenten, die an dem Pilotprojekt teilgenommen haben. In atp edition erzählt er von seinen Erfahrungen.
atp edition: Warum haben Sie sich dazu entschieden, in
Deutschland zu studieren?
PANDEYA: Ich wollte an einer Universität studieren, die
enge Verbindungen zur Industrie und zu Forschungseinrichtungen
hat. Außerdem haben einige meiner Freunde
bereits an der Jacobs University studiert. Das internationale
Umfeld und die kleinen Klassen haben mir gefallen.
Außerdem hat Deutschland eine vielschichtige Kultur und
Geschichte. Daher schien es mir eine gute Idee, hier zu
studieren und bisher hat Deutschland mich nicht enttäuscht.
atp edition: Was gefällt beziehungsweise gefällt Ihnen
nicht am deutschen Bildungssystem im Allgemeinen und
an Ihrem Studiengang im Besonderen?
PANDEYA: Mein Studiengang an der Jacobs University dauert
drei Jahre. Das hat gleichzeitig Vor- und Nachteile: Gut
daran ist, dass ich das Studium früher beenden kann als
meine Freunde, die an amerikanischen Colleges studieren.
Ich kann also sehr früh ins Berufsleben einsteigen – falls
ich mich dazu entscheide; das ist ein Vorteil, denke ich.
Andererseits muss ich die gleichen Inhalte lernen, wie meine
Freunde in Amerika, und das in drei statt in vier Jahren.
Das nimmt viel Kraft und Zeit in Anspruch; es bleibt wenig
Freizeit übrig.
Im deutschen Bildungssystem werden Studenten dazu ermutigt,
sich aktiv an der Forschung zu beteiligen. Sie können
aus einer Vielzahl an Praktika in Deutschland und in
ganz Europa wählen. Die Praktika während des Sommers
helfen ihnen dabei, ihre Interessen zu kennen und entsprechende
Berufserfahrung zu sammeln.
atp edition: Sind Sie der Meinung, dass Ihr Studiengang
ausreichend Praxisbezug hat?
PANDEYA: Parallel zum theoretischen Unterricht haben
wir meistens Computerkurse; das Verhältnis zwischen
Theorie und Praxis ist also ausgeglichen. Man muss bedenken,
dass Ingenieurwesen ein sehr großer Bereich ist;
wir können im Studium nicht alles lernen, was wir im späteren
Berufsleben wissen müssen. Stattdessen lehrt uns
die Universität wie wir mit anspruchsvollen Situationen
zurechtkommen.
Meine Kommilitonen absolvieren Praktika in unterschiedlichen
Unternehmen und es macht ihnen Spaß. Jeder von
uns arbeitet an verschiedenen Projekten mit. Ich denke
daher, dass wir durchaus Fähigkeiten erwerben, die wir in
unseren späteren Berufen benötigen werden.
atp edition: Wie haben Sie von dem Mentoring-Programm
erfahren und warum haben Sie sich dazu entschlossen,
daran teilzunehmen?
PANDEYA: An der Jacobs University haben wir ein Career
Service Center (CSC), das uns Studenten informiert über
Karrieremöglichkeiten, Praktikaangebote und über Kooperationen
mit der Industrie wie das Mentoring-Programm.
Durch eine E-Mail des CSC habe ich von dem
Programm erfahren.
atp edition: Wer ist Ihr Tandem-Partner? Wann hat das
Programm begonnen und wie oft haben Sie sich seitdem
getroffen?
PANDEYA: Mein Tandem-Partner ist Frank Soballa (Euro
Engineering AG). Das Programm hat im Februar dieses
Jahres begonnen; seitdem haben wir uns vier Mal getroffen.
Da wir beide sehr beschäftigt sind, war es schwierig,
Termine für persönliche Treffen zu vereinbaren. Wir haben
jedoch regelmäßig Kontakt gehalten über E-Mails und
Videotelefonie.
atp edition: Worin bestand genau das Mentoring Ihres
Tandem-Partners?
PANDEYA: Bei dem Programmauftakt sagte mir Herr Soballa
zu, mich bei meinen Bewerbungen zu unterstützen.
Er sah sich meinen Lebenslauf und mein Anschreiben an
und gab mir sehr hilfreiche Tipps. Außerdem nahm er
mich mit zu einigen Unternehmen, die mit mir Vorstel-
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atp edition
9 / 2013

GRISHMA RAJ PANDEYA:
„Nach meinem
Masterstudium möchte
ich in Deutschland
arbeiten.“
und Energiesystemtechnik beschäftige ich mich mit den
Steuerungssystemen von Windturbinen. Im Masterstudium
möchte ich mich dem Entwurf von Steuerungssystemen
widmen. Für mich ist die Arbeit am Fraunhofer-Institut eine
gute Möglichkeit, um praktische Erfahrung auf diesem Gebiet
zu sammeln und um mit leitenden Wissenschaftlern
des Instituts zusammenzuarbeiten.
lungsgespräche zur Übung führten. Das habe ich vorher
noch nie gemacht; es hat mir sehr geholfen. Jetzt weiß
ich, was mich in einem echten Vorstellungsgespräch erwartet
und wie ich mich verhalten muss. Außerdem wurde
ich zur Hannover Messe eingeladen. Dort habe ich
Vertreter einiger Unternehmen kennengelernt. Ich konnte
auch Firmen wie Alstom und Volkswagen besuchen.
Mein Mentor gab mir einen Einblick, wie es ist, in einem
Ingenieurunternehmen zu arbeiten.
Während der Vorlesungszeit bin ich sehr beschäftigt und
verlasse den Campus so selten, dass ich genauso gut in
Singapur oder Berlin sein könnte; das würde keinen Unterschied
für mich machen. Herr Soballa bestand deshalb
immer darauf, dass ich mehr in die deutsche Kultur eintauche
und möglichst viel Deutsch lerne. Ich wurde nach
Braunschweig zu einem Abendessen eingeladen. Wir
führten ein tolles Gespräch über Fußball, die Eintracht
Braunschweig und über die Meisterschaft von 1967.
Ich bin sehr zufrieden mit der Erfahrung, die ich beim
Mentoring-Programm gemacht habe. Mein Tandem-Partner
und ich schreiben uns immer noch E-Mails und wollen
weiterhin Kontakt halten.
atp edition: Zurzeit machen Sie ein Praktikum. Aus welchem
Grund haben Sie sich dazu entschieden? In welchem
Bereich arbeiten Sie?
PANDEYA: Ich interessiere mich sehr für Regelungstechnik.
Als Praktikant am Fraunhofer-Institut für Windenergie
atp edition: Würden Sie bitte zusammenfassen, inwiefern
das Mentoring-Programm Ihnen dabei geholfen hat, sich
darüber klar zu werden, welchen Beruf Sie einmal ausüben
möchten?
PANDEYA: Mein Mentor Frank Soballa hat mir dabei geholfen,
in Kontakt mit einigen deutschen Unternehmen zu
treten. Ich konnte Übungsgespräche mit den Unternehmen
führen. Dank all dieser Erfahrungen bin ich sehr zufrieden
mit meinem Mentor.
atp edition: Wann werden Sie Ihr Studium beenden? Haben
Sie vor, in Deutschland zu bleiben oder zieht es Sie in ein
anderes Land?
PANDEYA: Ich werde meinen Abschluss im Juni 2014 machen.
Vielleicht gehe ich für meinen Master in ein anderes
Land, das hängt davon ab, wo ich eine Zusage bekomme.
Dennoch möchte ich danach in jedem Fall in Deutschland
arbeiten.
atp edition: Wie bewerten Sie das Mentoring-Programm
insgesamt?
PANDEYA: Es war eine tolle Erfahrung; ich habe viel gelernt
und neue Kontakte geknüpft. Fast alle Mentoren
und Mentees haben die kurze Dauer des Pilotprojekts
bedauert. Ich hoffe, dass die Organisatoren dies beim
nächsten Durchlauf ändern. Für mich ist das Programm
jedenfalls eine der prägendsten Erfahrungen an der Jacobs
University.
Die Fragen stellte Aljona Hartstock
atp edition
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13

PRAXIS
Offene Architektur ermöglicht maßgeschneiderte
Steuerungssoftware für die CNC-Maschinen
Dank der Sinumerik 840D sl kann Mubea die Anforderungen des Massentransportmarkts erfüllen
MUBEA SYSTEMS produziert Bearbeitungszentren für lange Aluminiumund
Stahlprofilschienen, die in Zügen eingesetzt werden. Wichtiges
Know-how steckt in der maßgeschneiderten CAD/CAM-Software.
ZUM FRÄSEN der langen Profile setzt
Mubea Systems in seinen Bearbeitungszentren
auf die offene Steuerungsarchitektur der
Sinumerik 840D sl. Bilder: Mubea Systems
Mit dem Einstieg in die Herstellung von Bearbeitungszentren
für die Stahl- und Aluminium-Extrusion
rüstete Mubea Systems die Antriebstechnik mit CNC-
Steuerungen der Solution Line von Siemens auf. Die
wichtigsten Vorteile liegen für Mubea in der Offenheit
und Flexibilität der Sinumerik 840D sl. Dank der offenen
Systemarchitektur kann Mubea seine ganze Kompetenz
in für die Kunden maßgeschneiderte CAD/CAM-Software
einbringen.
Mubea Systems S.A., ein zur Familie der Haco-Gruppe
zählendes Unternehmen, produziert das komplette Spektrum
an 4- und 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren. Eingesetzt
werden diese insbesondere für die verschiedenen
Zerspanungsaufgaben bei langen Aluminium- und Stahlprofilen,
wie sie für Hochgeschwindigkeitszüge, Straßenbahnen
und U-Bahnen benötigt werden.
Für die Herstellung ihrer flexiblen und zuverlässigen
CNC-Maschinen für die Transportindustrie setzt Mubea
ausschließlich hochwertige Komponenten und Software
ein. Zur Produktpalette gehören die 4-Achs-Gantry-Maschine
Alu-Flex, die 5-Achs-C-Rahmen-Maschine
Profile-Flex sowie die 5-Achs-Gantry-Maschine
Multi-Flex. „Ganz oben in unserem Produktspektrum
rangiert aber die 5-Achs-Maschine Mega-Flex “, erklärt
Frank Havegeer, Vorstandsvorsitzender von Mubea Systems.
Dabei handelt es sich um eine Profiliermaschine
mit patentierter Doppel-X-Achse, die für höhere Dynamik
und gesteigerte Kapazität sorgt. Dank einer zusätzlichen
vertikalen Doppelspannvorrichtung erfüllt sie
höchste Standards in puncto Bearbeitungsgeschwindigkeit
und -genauigkeit.
Die Maschine gibt es in 30 oder 60 Meter Länge, mit
ein oder zwei Fräsköpfen, die einzeln oder zusammen
arbeiten. „Diese Doppelkopflösung bietet noch mehr Flexibilität
und Geschwindigkeit, sodass wir den Anforderungen
der Transportindustrie zu 100 Prozent gerecht
werden können – sprich wirtschaftlich und qualitativ
hochwertig produzieren sowie zügig ausliefern können“,
ergänzt Havegeer.
KONTINUITÄT ÜBER DIE GESAMTE ORGANISATION
Sinumerik 840D sl, ausgestattet mit Sinamics S120-Antriebstechnik,
ist bei allen Mubea-Maschinen die Steuerungslösung
erster Wahl. Nachdem das Unternehmen
bislang die Power Line im Einsatz hatte, entschied sich
Mubea im Oktober 2012 dafür, auf die Solution Line aufzurüsten.
„Wir sind damals neu in das Feld der Stahl- und
Aluminium-Extrusion eingestiegen. Siemens wusste sofort,
worauf es dabei ankam“, erinnert sich Havegeer. „Und
auch auf den Support können wir uns immer verlassen.“
Entscheidend für das Upgrade zur Solution Line waren
laut Havegeer die positiven Erfahrungen mit der
Sinumerik CNC – sowie der Wunsch, mit Hilfe eines
durchgängigen Systems Kontinuität und Stabilität über
die gesamte Unternehmensorganisation herzustellen.
„Sinumerik 840D sl bietet die von unseren Kunden ge-
14
atp edition
9 / 2013

Unser
Know-how
für Sie
forderte Genauigkeit, Skalierbarkeit und Performance
in einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis“,
erklärt Havegeer.
Die Einführung des neuen Systems dauerte weniger
als zwei Wochen. Für Dirk Algoet, verantwortlich für
Engineering und Automatisierungstechnik bei Mubea,
sind Offenheit und Flexibilität die beiden größten
Stärken von Sinumerik 840D sl. „Wir liefern unsere
Maschinen mit einer maßgeschneiderten CAD/
CAM-Software an den Kunden aus“, erläutert Algoet.
„Diese bietet dynamische Programmiereigenschaften
und ermöglicht es dem Kunden, die Maschinen mithilfe
von 3-D-Profilen mühelos zu steuern.“
EINHEITLICHE SCHNITTSTELLE
Durch die offene Systemarchitektur von Sinumerik
840D sl können das Knowhow und die Fachkompetenz
von Mubea Systems direkt in das Endprodukt
einfließen. Das Ergebnis ist eine einheitliche und
nutzerfreundliche Schnittstelle für Bedienung, Programmierung
und Visualisierung. „Dank der systemweiten
Offenheit von Sinumerik 840D sl können wir
bessere Maschinen für unsere Kunden entwickeln“,
resümiert Algoet.
Mubea Systems betreibt Regionalbüros in Belgien,
Deutschland, den Vereinigten Staaten, Kanada und
China. Das Unternehmen liefert seine Bearbeitungszentren
in insgesamt zehn Länder und verzeichnet
eine Exportrate von 99 %. Der weltweite Support ist
für den Maschinenhersteller und dessen Kunden deshalb
von größter Wichtigkeit. „Wir haben ein hochqualifiziertes
Team, das unsere Kunden weltweit persönlich
betreut, wenn es um kundenspezifische Maschinen
und Maschinenteile geht“, so Kris Rosseeuw,
Serviceverantwortlicher bei Mubea. „Für alltägliche
technische Belange sind jedoch die Siemens-Serviceverträge
von unschätzbarem Wert.“
AUTOR
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PRAXIS
Mit Hilfe additiver Verfahren entstehen Endprodukte:
Potenziale von Rapid Manufacturing besser nutzen
VDI treibt die Verbreitung der neuen Fertigungsverfahren mit Richtlinien und einer Tagung voran
Bauteile, die so hergestellt werden, weisen gute mechanische
Eigenschaften auf und können als finale Produkte
verwendet werden. Dieses Verfahren heißt dann Rapid
Manufacturing.
MIT DEM STRAHL-
SCHMELZVERFAHREN
lassen sich beispielsweise
Miniatursiebe herstellen.
Bild: Gregor Jell Werkzeugelemente
Lange wurden additive Fertigungsverfahren zur Herstellung
von Prototypen eingesetzt (Rapid Prototyping).
Durch Weiterentwicklung der Fertigungsmethoden
und verbesserte Materialien ist es heute möglich,
stabile Endprodukte herzustellen (Rapid Manufacturing).
Inzwischen haben additive Herstellungsmethoden,
meist unter dem Namen 3D-Druck bekannt, den
Weg in den Massenmarkt gefunden. Mit neuen Richtlinien
unterstützt der VDI die Verbreitung dieser Verfahren.
In einer Fachkonferenz im Oktober informiert der
VDI außerdem über das Herstellungsverfahren.
VOM PROTOTYPEN ZUM ENDPRODUKT
Unter „additiv“ werden alle Herstellverfahren zusammengefasst,
bei denen ein Bauteil entsteht, indem der
Werkstoff schrittweise hinzugefügt wird. Das steht im
Gegensatz zu den klassischen subtraktiven Verfahren
wie Fräsen, Bohren und Drehen, bei denen Material weggenommen
wird, um das endgültige Bauteil zu erzeugen.
Rapid Prototyping fasst alle additiven Verfahren zusammen,
mit denen Prototypen zur weiteren Begutachtung
hergestellt werden. Beim 3D-Druck beispielsweise
wird ein Kunststofffaden, ähnlich wie bei einer Heißklebepistole,
aufgeschmolzen. Das Bauteil wächst dann
zusammen, indem punktgenau einzelne Materialtropfen
Schicht für Schicht dort dosiert werden, wo weiteres
Material für das endgültige Bauteil benötigt wird.
Außer dem 3D-Druck gibt es weitere Konzepte, um
Bauteile additiv herzustellen: Das Ausgangsmaterial
kann pulverisiert und in einer dünnen Schicht auf die
Arbeitsfläche aufgetragen werden. Wenn man es nun
punktgenau mit einem Laser aufschmilzt, wächst das
Material beim Wiedererstarren mit den darunter- und
anliegenden Strukturen zusammen. Wenn eine Schicht
fertig ist, wird der Vorgang wiederholt. Auf diese Weise
entsteht schrittweise das Bauteil.
Der Vorteil des Laser-Verfahrens ist, dass es nicht nur
mit Kunststoffen funktioniert. Wenn Metalle mit diesem
Verfahren verarbeitet werden, spricht man von Strahlschmelzen,
und bei Kunststoffen von Laser-Sintern. Die
VDI REGELT RAPID MANUFACTURING
Nachdem der Fachausschuss 105 der VDI-Gesellschaft
Produktion und Logistik (GPL) „Rapid Manufacturing“
im Dezember 2009 in der Richtlinie VDI 3404 die grundlegenden
Begriffe und Qualitätskenngrößen festgelegt
hatte, hat der Fachausschuss die Qualifizierung, Qualitätssicherung
und Nachbearbeitung beim Strahlschmelzen
metallischer Bauteile in der Richtlinie VDI 3405
Blatt 2 bearbeitet. Die Richtlinie wurde im August 2013
veröffentlicht. Außerdem entstand die Richtlinie 3405
Blatt 1 „Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen“.
Die guten mechanischen Eigenschaften der mit Strahlschmelzen
oder Laser-Sintern hergestellten Bauteile
ermöglichen es, Endprodukte herzustellen. Vor diesem
Hintergrund bildete sich aus dem FA 105 heraus der
Richtlinienausschuss FA 105.3 „Konstruktionsempfehlungen“,
der für Konstrukteure eine Richtlinie erarbeitet,
die die Potenziale und die Grenzen dieses Fertigungsverfahrens
beschreibt.
Dies ist nur ein Aspekt, der beim Weg vom Prototypen
bis zur Großserie mit additiven Fertigungsverfahren zu
beachten ist. Diesem Thema widmet sich die VDI-Fachkonferenz
„Additive Manufacturing“ am 9. und 10. Oktober
2013. Wer den Nutzen dieses Herstellungsverfahrens
für sich bewerten will, erhält bei der Konferenz die
Möglichkeit, schnell in das Thema einzusteigen.
Einige Zweige des produzierenden Gewerbes zeichnen
sich durch hochwertige, individuelle Produkte aus, die
in kleinen oder mittleren Stückzahlen produziert werden.
In diesem Segment kann die Nutzung der additiven
Fertigung Vorteile bieten. Daher wird der VDI die weitere
Entwicklung dieser Technologie aktiv begleiten. So hat
der Fachausschuss „Rapid Manufacturing“ die Unterausschüsse
FA 105.1 „Kunststoffe“ und FA 105.2 „Metalle“
gegründet, um die jeweiligen Themen voranzubringen.
AUTOR
Dr.-Ing. ERIK MARQUARDT
ist verantwortlicher Referent
im Bereich Technik und
Wissenschaft des VDI.
Verein Deutscher
Ingenieure e.V.,
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 621 43 73,
E-Mail: marquardt@vdi.de
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PRAXIS
Roboter simulieren Sinneswahrnehmungen für
angehende Chirurgen sehr realitätsnah
Servomotor mit hohem Drehmoment erfüllt Anforderungen der Haptik-Entwickler
n einer zunehmend virtuellen Welt bietet die Fähigkeit
I zum Simulieren von Berührungen buchstäblich spürbare
Vorteile; einem Online-Kunden ermöglicht die
Technologie beispielsweise, einen Hemdstoff zu „fühlen“.
Bei der Haptik simulieren Robotiksysteme mit
Feedback- und Steuerungsfunktionen taktile Wahrnehmungen.
Quanser, ein Hersteller von Haptikgeräten
produziert beispielsweise fünf- und sechsachsige Roboter,
die realitätsnahe Sinneswahrnehmungen vermitteln.
Hierfür setzt das Unternehmen Hardware und
Software sowie drehmomentstarke, breitbandige Servomotoren
ein.
Quanser begann auf dem Markt für Lehrmittel mit Produkten
wie Simulatoren für die Chirurgie. Die Geräte
erlauben Medizinstudenten, Einschnitte ohne Leichen
zu üben. „Nach diesem Verfahren kann man den gesamten
Vorgang simulieren und den angehenden Chirurgen
dieselben Sinneswahrnehmungen vermitteln wie in der
chirurgischen Praxis“, erläutert Paul Karam, Leiter Konstruktion
und Entwicklung bei Quanser. „Mehr noch:
Auch die Leistungen, wie viel Kraft die Kandidaten aufgewendet
haben, wie umfangreich die Schnitte waren,
lassen sich quantitativ erfassen.“
Neben anwendungsspezifischen Produkten für Erstausrüster
(OEM)-Kunden baut das Unternehmen allgemeine
Haptiksysteme für die Forschung. Die neueste
Entwicklung ist das High Definition Haptic Device
(HD2), ein Parallelmechanismus mit sechs Freiheitsgraden
(x, y, z, Rollen, Nicken, Gieren), das heißt voneinander
unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten. Dieser mechanisch
ausbalancierte, reibungsarme Roboter besteht
aus zwei miteinander gekoppelten Auslegern mit je fünf
Gelenken und kann über einen großen Arbeitsbereich
hinweg Bewegungen in hoher Auflösung ausführen. Das
HD2 hat einen Roll- (auf der x-Achse) beziehungsweise
Nickbereich (y-Achse) von jeweils +/-90° und einen Gierbereich
(z-Achse) von +/-180°.
ZENTRALES ENTWICKLUNGSZIEL: BERÜHRUNGEN
„Was man auch immer zu simulieren versucht – sei es
nun das Klopfen auf Holz oder Bewegungen bei der Gehirnchirurgie,
die jeweilige Haptik muss definierte und
gleichmäßige Sinneswahrnehmungen vermitteln“, so
Karam weiter. „Der Mechanismus muss das bei der Operation
entstehende Gefühl originalgetreu wiedergeben,
sonst nützt er nichts.“
Ein gutes Haptikgerät zeichnet sich durch geringe
Reibung und Massenträgheit aus, kann aber zugleich
Kräfte mit einem hohen Dynamikbereich erzeugen, und
das innerhalb eines großen Arbeitsbereichs. Dafür werden
mechatronische Konzepte entwickelt, bei denen vor
dem Prototyping umfassende Modelle erstellt und getestet
werden. Um beispielsweise das Reaktionsvermögen
des HD2 zu maximieren, ordnete das Entwicklerteam
die Motoren im Gehäuse an und nicht auf dem
Stellgliedarm.
Die für die Leistungsfähigkeit entscheidenden Komponenten
sind die Linearstromverstärker. „Damit lassen
DER MECHANISCH AUSBALANCIERTE,
reibungsarme Roboter simuliert mit
ausgeklügelten Feedback- und
Steuerungsfunktionen eine
taktile Wahrnehmung.
Bild: Quanser
sich sehr geschmeidige und gleichmäßige Kräfte um Null
herum erzeugen und das kann man auch fühlen“, sagt
Karam. „Mit einem Verstärker, der mit Pulsbreitenmodulation
arbeitet, ist das nicht realisierbar.“ Das Entwicklerteam
verwendet außerdem keine Standard-Motion-
Controller aufgrund der dabei entstehenden Verzögerungen.
Denn um Sinneswahrnehmung zu erzeugen, die
beim Berühren einer harten Oberfläche oder bei der Interaktion
mit der Umgebung entsteht, sind hohe Kraftbandbreiten
und sehr kurze Latenzzeiten nötig. Daher
setzt das Entwicklerteam eigene 8-Kanal-Datenerfassungsboards
und die Steuerungssoftware Quarc ein. Das
Ergebnis ist eine PC-basierte Steuerung, die im Bereich
von 1 bis 10 kHz arbeitet, die Encoder simultan ausliest,
die Kinematik des Geräts berechnet und die Drehmomente
aller sechs Motoren vorgibt.
SERVOMOTOR KUNDENSPEZIFISCH MODIFIZIERT
Zum mechatronischen Design gehört ein Konzept,
nach dem die Bauelemente auf Systemebene entwickelt
und nicht willkürlich ausgewählt werden. Dabei
kooperiert Quanser mit der amerikanischen Faulhaber-Tochter
Micromo. „Durch Kombination der High-
End-Motoren mit unseren Linearverstärkern sind Antriebe
entstanden, die ein hohes Ausgangsdrehmoment
liefern, aber zugleich reibungs- und haftreibungsarm
arbeiten sowie eine niedrige Massenträgheit aufweisen“,
erklärt Karam.
Das Team strebte eine Standardisierung auf der Basis
von einem oder zwei Motoren an. Dazu benötigten die
Wissenschaftler ein hohes Drehmoment, das jedoch einen
größeren Motor voraussetzt, der wiederum mehr
Massenträgheit, Reibung und Gewicht mit sich bringt.
Die Entwickler haben daher nach einer Spezialeinheit
18
atp edition
9 / 2013

DAS HAPTIKGERÄT benötigt
einen Kleinstantrieb, der ein
hohes Ausgangsdrehmoment
liefert, zugleich sehr reibungsund
haftreibungsarm arbeitet
und eine sehr niedrige
Massenträgheit aufweist.
Bild: Faulhaber
FÜR DIE CHIRURGENAUSBILDUNG muss das
Gerät das bei der Operation entstehende Gefühl
originalgetreu wiedergeben. Bild: Quanser
gesucht, die auf ihre Anforderungen abgestimmt sein
sollte – und fanden sie mit dem Faulhaber-Motor: „Dieser
Motor hat eine andere Spule, mit der sich ein hohes Ausgangsdrehmoment
erzeugen lässt“, sagt Karam. „Er entwickelt
zwar keine besonders hohen Drehzahlen, aber
das ist bei Haptikgeräten auch selten erforderlich. Ein
hohes Drehmoment und die nicht selbsthemmende
Kraftübertragung, also die Fähigkeit des Benutzers, die
Reibung zu überwinden und das Haptikgerät zu betätigen,
sind die entscheidenden Faktoren.“
STANDARDENCODER FÜR FEEDBACK
Die Motoren sind mit hochauflösenden optischen Encodern
ausgestattet. Diese liefern die präzisen Feedbackgrößen,
die erforderlich sind, um eine realitätsnahe taktile
Wahrnehmung zu erzeugen. Die Hersteller der Haptikgeräte
verwenden Rollenantriebe anstelle von Getrieben,
denn bei Getrieben kann es zu verzögerten
Rückmeldungen kommen. Ein Rollenantrieb besteht aus
zwei Walzen, zwischen denen ein vorgespannter Strang
verläuft, ähnlich wie bei einer Videokassette. Das Verhältnis
der beiden Walzendurchmesser bestimmt das
Untersetzungsverhältnis. Eine typische Motor-Antriebsrollen-Baugruppe
kann Untersetzungsverhältnisse von
bis zu 30:1 erreichen.
Damit Haptikgeräte effektiv arbeiten, müssen sie eine
kontinuierliche Sinneswahrnehmung liefern, das bedeutet,
dass die Motoren ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit
aufweisen müssen. Auch hier fanden die Forscher
eine Lösung. „Wie viel Kraft ich erzeuge, hängt einzig
und allein davon ab, was ich für die nominale Drehmomentkonstante
des Motors halte“, sagt Karam. „Quantitativ
kann ich diese Größe von System zu System nicht
messen, aber wir haben zahlreiche Varianten desselben
Geräts hergestellt, und ich kann beim Nachführen keinen
Unterschied feststellen.“
Dank ihrer Entwicklungsplattform und der Faulhaber-
Motoren ist das Unternehmen in der Lage, aus Konzepten
innerhalb kürzerer Zeit Produkte herzustellen. „Wenn
beispielsweise ein Chirurg mit dem Plan an uns herantritt,
Nadeleinstiche im Operationssaal zu untersuchen,
können wir für ihn ein Gerät entwickeln, das genau die
richtigen Spezifikationen dafür hat“, so Karam. In den
kommenden zwanzig Jahren erhofft sich das Unternehmen
zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten in anderen
Industriezweigen.
AUTOR
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ANDREAS SEEGEN
ist Leiter Marketing
bei Faulhaber.
Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG,
Daimlerstraße 23/25, D-71101 Schönaich,
Tel. +49 (0) 7031 63 81 23,
E-Mail: andreas.seegen@faulhaber.de
atp edition
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PRAXIS
Teamarbeit von Konstruktion und Dokumentation
garantiert Risikobeurteilung aus einem Guss
Robomotion nutzt für CE-Kennzeichnung gemäß Maschinenrichtlinie webbasierte Spezialsoftware
ROBOTER und Komponenten verschiedener Hersteller integriert
Robomotion für Kunden in komplette Produktionsanlagen.
Mit einer Spezialsoftware konnte der Entwicklungsdienstleister
die Risiko beurteilung der Anlagen optimieren. Bild: Robomotion
DIE WEBBASIERTE SOFTWARE Docufy Machine Safety
erlaubt es, die Risikobeurteilungen parallel zur
Konstruktion Schritt für Schritt zu erstellen und dabei
frühzeitig Sicherheitsrisiken zu eliminieren. Bild: Docufy
Der Automatisierungsspezialist Robomotion konnte
die Erstellung von Risikobeurteilungen gemäß Maschinenrichtlinie
mit einer CE-Spezialsoftware erheblich
verbessern: Durch den Einsatz von Docufy Machine
Safety halbierte sich der Zeitaufwand und die Kosten
sanken. Da die Erstellung der Risikobeurteilung nun
direkt in die Konstruktion einer Anlage integriert ist,
lassen sich Gefahrenquellen zudem frühzeitig erkennen
und eliminieren.
Zunehmend werden die CE-Kennzeichnung und die
damit einhergehende Sicherheit ihrer Produkte zur
zwingenden Voraussetzung für den Marktzugang. „Immer
mehr Kunden achten beim Kauf einer Anlage darauf,
ob eine Risikobeurteilung vorliegt. Teilweise wird
diese sogar explizit in den Lastenheften verlangt“, erläutert
Jens Rippel, bei der Robomotion GmbH aus
Leinfelden-Echterdingen verantwortlich für die Technische
Dokumentation. Gerade bei großen Unternehmen
ist eine einwandfreie Risikobeurteilung mittlerweile
oft Bedingung für die Vergabe eines Auftrages.
Gleichzeitig erkennen die Lieferanten, dass die bisher
von ihnen eingesetzten, oft improvisierten Methoden zur
Erstellung von Risikobeurteilungen an ihre Grenzen stoßen:
Die Rechtskonformität ist meist ungewiss, Aufwand
und Kosten sind oft zu hoch.
Immer mehr Maschinen- und Anlagenbauer steigen
daher auf eine professionelle Software um. So auch die
Robomotion GmbH, die für Kunden aus der Lebensmittel-,
Pharma- und Kunststoffindustrie Roboter und Komponenten
verschiedener Hersteller in komplette Produktionsanlagen
integriert. Robomotion nutzt die webbasierte
Lösung Docufy Machine Safety seit Anfang
2012, um Risikobeurteilungen zur CE-Kennzeichnung
gemäß Maschinenrichtlinie zu erstellen. Damit gelang
es dem Entwicklungsdienstleister, die Erstellung der
Risikobeurteilung optimal in die Konstruktion einer
Anlage einzubinden.
RISIKEN BIS DATO ERST IM NACHHINEIN ERMITTELT
Die größte Herausforderung bei der Risikobeurteilung
bestand für Robomotion darin, diese von Anfang an in
den Konstruktionsprozess zu integrieren. Vor Einführung
von Docufy Machine Safety fertigte Jens Rippel die
Risikobeurteilungen mit selbst erstellten Word- und
Excel-Tabellen allein an. In der Regel geschah dies nach
Abschluss der Konstruktionsarbeiten. Das heißt, er
musste diese Schritt für Schritt rekapitulieren und mit
Hilfe des jeweiligen Konstrukteurs im Nachhinein mögliche
Risiken ermitteln. Rippel erläutert: „Dank Docufy
Machine Safety können wir heute die Erstellung der Risikobeurteilung
optimal in die Konstruktion einer Anlage
integrieren. Die mechanischen Konstrukteure sowie
die Mitarbeiter in der Elektroplanung fertigen die Risikobeurteilung
parallel zur Konstruktion an und pflegen
Schritt für Schritt alle relevanten Informationen in das
webbasierte System ein.“ Derzeit arbeiten neben Jens
Rippel noch drei Kollegen aus der Konstruktionsabteilung
mit Docufy Machine Safety.
20
atp edition
9 / 2013

GEFAHRENQUELLEN FRÜHZEITIG ELIMINIERT
Dieses parallele Arbeiten bringt gleich mehrere Vorteile:
Da der Konstruktionsprozess nicht nachträglich
wieder aufgerollt werden muss, sinkt der Aufwand sowohl
im Bereich Technische Dokumentation als auch
bei den Konstrukteuren. Durch die zeitgleiche Risikobeurteilung
ist es nun auch besser möglich, Gefahrenquellen
sofort zu eliminieren. „Vor allem aber hat der
Einsatz von Docufy Machine Safety dazu geführt, dass
die Konstrukteure die Risikobeurteilung nicht mehr
nur als notwendiges Übel ansehen, sondern dass sie viel
bewusster auf mögliche Risiken achten. Früher haben
wir bei der Beurteilung der fertigen Konstruktion
manchmal Gefahrenquellen gefunden, die dem Konstrukteur
anfangs nicht bewusst waren. Seit der Einführung
dieser Software ist das Thema Maschinensicherheit
viel besser in den Köpfen unserer Konstrukteure
verankert“, erläutert Jens Rippel.
„Mit dem vorher von uns eingesetzten Verfahren der
Risikobeurteilung mittels Excel und Word war es immer
sehr schwierig, die einschlägigen Normen und Richtlinien
zu erfüllen“, blickt Jens Rippel zurück. Denn bei
der Konzeption neuer Anlagen greift Robomotion häufig
auf bereits verwendete und bewährte Baugruppen und
Komponenten zurück. Deren Risikobeurteilungen wurden
früher jeweils von Liste zu Liste weiterkopiert. „Das
war nicht nur kompliziert und aufwendig, sondern führte
auch häufig zu Fehlern. Da für eine Anlage meist mehrere
Excel-Tabellen herangezogen wurden, ging schnell
die Übersicht verloren. Oft war unklar, was wann ausgefüllt
werden muss. Zudem gab es keine Gewähr, dass
auch wirklich alle relevanten Inhalte übernommen wurden“,
erinnert sich Jens Rippel.
DER ZEITAUFWAND WURDE MIT DOCUFY HALBIERT
Demgegenüber bietet Docufy Machine Safety dem Automatisierungsspezialisten
jetzt maximale Rechtskonformität.
Einen entscheidenden Beitrag dazu leisten die
Kopiervorlagen. Hat man einmal ein Konzept erstellt,
wie man die Sicherheit einer Anlage gewährleisten
kann, so wird dieses Prinzip dank der Kopiervorlagen
für jede weitere Anlage angewendet. Zudem führt die
Software die Nutzer Schritt für Schritt durch den Beurteilungsprozess,
so dass auch wirklich alle wichtigen
Bestandteile enthalten sind.
Dank Docufy Machine Safety ist es Robomotion zudem
gelungen, den Aufwand für die Erstellung der Risikobeurteilungen
zu senken. „Wir haben den Zeitaufwand
dank der Lösung etwa auf die Hälfte reduziert“, freut sich
Jens Rippel. Diese Zeiteinsparungen entstehen zum einen
durch die Erstellung der Risikobeurteilung parallel zum
Konstruktionsprozess. Zum anderen leistet der modulare
Aufbau der Software einen entscheidenden Beitrag zur
Aufwandsreduktion. Denn Risikobeurteilungen für einzelne
Baugruppen können abgespeichert und später wiederverwendet
werden. Außerdem gibt Docufy Machine
Safety am Schluss automatisch eine Konformitätserklärung
in einem sauberen Layout aus.
Weitere Vorteile zieht Robomotion aus der Schnittstelle
zum Software-Assistenten Sistema. So werden Projekte
und die entsprechenden Sicherheitsfunktionen nun
automatisch in Sistema generiert. Das mühsame Suchen
in Excel-Tabellen entfällt, denn die Dokumentation eines
Projekts wird einfach aus Docufy Machine Safety übernommen.
Im Gegenzug importiert die Software die bearbeitete
Sistema-Datei inklusive dem erreichten Performance
Level für alle steuerungstechnischen Maßnahmen
und führt es in der Risikobeurteilung mit auf. „Das
alles spart Zeit und reduziert die Fehleranfälligkeit“,
fasst Jens Rippel zusammen.
WEBAPPLIKATION LÄSST SICH EINFACH INTEGRIEREN
Robomotion war es darüber hinaus wichtig, dass die
Software einfach zu bedienen ist. „Wir konnten die Software
sofort, ohne Schulung oder umfangreiche Einarbeitung
nutzen – was besonders für unsere Konstrukteure
sehr wichtig war. Das Programm ist nahezu selbsterklärend
und leitet den Nutzer schrittweise durch den
Risikobeurteilungs-Prozess“, erklärt Rippel.
Ein wichtiges Auswahlkriterium war für Robomotion
außerdem die einfache Integration in die vorhandene
IT. Die Software ist auf einem Server von Robomotion
installiert. „Es kam uns sehr entgegen, dass Docufy Machine
Safety eine Webapplikation ist, bei der sich unsere
Mitarbeiter ohne größeren administrativen Aufwand
einfach einloggen können.“ Um die Lösung intensiver
nutzen zu können, erwarb Robomotion eine
zweite Lizenz. „Nun können mehrere Mitarbeiter, auch
zwei gleichzeitig, mit Docufy Machine Safety arbeiten
– Konstruktion und Risikobeurteilung können nun problemlos
parallel erfolgen.“
AUTOR
PETER STROBELBERGER
ist im Bereich Vertrieb und
Beratung Docufy Machine
Safety tätig.
Docufy GmbH,
Kapuzinerstraße 32,
D-96047 Bamberg,
Tel. +49 (0) 951 20 85 97 46,
E-Mail: peter.strobelberger@docufy.de
atp edition
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PRAXIS
Wireless vom Feld in die Welt: Sicher drahtlos
kommunizieren im Automatisierungsumfeld
WirelessHart, WLAN und Mobilfunk bieten zuverlässige Lösungen für nahezu alle Szenarien, Teil 1
Drahtlose Kommunikation ist aus unserem Alltag nicht
mehr wegzudenken. Informationen überall auf der
Welt jederzeit per Internet abzurufen ist selbstverständlich
geworden. Diese Vorteile können auch Anwender in
der Automatisierungstechnik nutzen. Die verschiedenen
Technologien können mit Hilfe eines Koexistenz-Managements
ohne Probleme im Zusammenspiel eingesetzt
werden: WirelessHart sorgt für den Transport der Daten
von der Feld- zur Steuerungsebene, Industrial Wireless
LAN übernimmt die drahtlose Vernetzung der Steuerungsebene
und Mobilfunk ermöglicht den Zugriff auf
weltweit entfernte Anlagenteile. Der erste Teil dieses
Beitrags stellt die Möglichkeiten von WirelessHart und
die Grundzüge der WLAN-Standards dar. Die zweite
Folge in atp edition 10 beschreibt konkrete industrielle
WLAN-Anwendungen und die Möglichkeiten der Mobilfunknetze.
FUNKTECHNIK KOMMT IMMER HÄUFIGER ZUM EINSATZ
Die Akzeptanz von drahtlosen Systemen in der Industrie
wächst weltweit immer schneller – und vor allem gleichmäßig
über die verschiedenen Regionen hinweg, was
sich laut IMS Research in den erwarteten Absatzzahlen
widerspiegelt (Bild 1). Drahtlose Netzwerke kommen in
der Industrie immer dann zum Einsatz, wenn mehr Flexibilität
gefordert ist oder das Verlegen von Kabeln an
seine technischen Grenzen stößt. Außerdem bieten
drahtlose Systeme in bestimmten Fällen eine höhere Zuverlässigkeit
als fest verdrahtete, ermöglichen einen
schnelleren Aufbau und, wie oben angesprochen, mehr
Flexibilität. So lassen sich deutliche Kosteneinsparungen
beispielsweise in Montage und Instandhaltung erzielen.
Die Funktechnologien werden durch die Weiterentwicklung
der Standards innerhalb des IEEE, der IEC
und ISA immer ausgereifter und finden sowohl in der
Fertigungs- als auch in der Prozessautomatisierung zunehmend
Anwendung. Sie stellen somit eine Alternative
oder Ergänzung zu herkömmlichen kabelgebundenen
Netzen dar. Es stehen zurzeit verschiedene standardisierte
drahtlose Technologien zur Verfügung wie: WirelessHart
(IEEE 802.15.4), Wireless LAN (IEEE 802.11) und
der Mobilfunk (GSM/UMTS/LTE) (Bild 2 und 3).
Weltmarkt für Wireless-Geräte im Einsatz nach Region
2012–2017
EMEA
Amerika
Asien Pazifik
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Quelle: IMS Research (Part of IHS)
BILD 1: Die Akzeptanz von drahtlosen Systemen in
der Industrie wächst weltweit immer schneller, was
sich in den erwarteten Absatzzahlen widerspiegelt.
2012
2017
BILD 4: WirelessHart wird in der Prozessindustrie zur
Überwachung und Diagnose verwendet. Bild: Siemens
WIRELESSHART GEEIGNET FÜR PROZESSINDUSTRIE
WirelessHart ist ein offener Industriestandard und setzt
auf IEEE 802.15.4 auf. Er wurde speziell für die besonderen
Anforderungen an drahtlose Kommunikation in der
Feldebene der Prozessindustrie entwickelt. WirelessHart
ist eine Weiterentwicklung des Hart (Highway Adressable
Remote Transducer)-Protokolls und kommt heute maßgeblich
zu drahtlosen Überwachungs- und Diagnosezwecken
in der Prozessindustrie zum Einsatz. Typische Anwendungsfälle
können die Aufnahme von Messdaten von
Heiz-, Kühl-, Rühr- und Pumpvorgängen sein (Bild 4).
Prozesstechnische Anlagen zeichnen sich dadurch
aus, dass in der Regel der gesamte Prozess für die Herstellung
eines bestimmten Produktes an einem Ort konzentriert
ist. Je nach Industriebereich können diese Anlagen
somit beträchtliche Ausmaße annehmen. Die Anforderungen
an die Reichweite sind also sehr hoch und
liegen im Bereich von 10 km² oder mehr. Der von WirelessHart
verwendete Standard IEEE 802.15.4 ermöglicht
Reichweiten im Umkreis der Sende-/Empfangseinheit
von 100 m zwischen zwei Teilnehmern. Größere Entfernungen
überbrückt WirelessHart mit der Multi-Hop-
Technologie: WirelessHart-Sensoren übertragen ihre
Sensorwerte zum jeweils nächsten verfügbaren WirelessHart-Sensor
bis die Daten am Gateway eintreffen.
HOHE SICHERHEIT GEGEN ANGREIFER VON AUSSEN
Häufig werden mit WirelessHart analoge Signale von
Temperatur-, Druck oder Füllstandüberwachungen ausgewertet.
Die vergleichsweise langsamen Prozessänderungen
erlauben hohe Zykluszeiten, die typischerweise
zwischen 100 ms und einigen Sekunden liegen. Diese
drahtlose Lösung nutzt das 2,4-GHz-ISM-Frequenzband
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atp edition
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Weltmarkt für Wireless-Geräte nach Übertragungsstandard
2012–2017
Wireless LAN
> 100 km
Reichweite
Wireless WAN
(GSM/UMTS/LTE)
Fernzugriffsebene
(Scada, Telecontrol)
WirelessHart
Mobilfunk
2012
2017
> 1000 m
> 100 m
Wireless LAN
(IEEE 802.11abgn)
Steuerungsebene
(Feldbus, Scada)
Andere
WirelessHart
Feldebene
(Prozessdaten)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0 m
Quelle: IMS Research (Part of IHS)
BILD 2 UND BILD 3: WirelessHart, Wireless LAN und der Mobilfunk mit den
Standards GSM, UMTS und LTE decken unterschiedliche Reichweitenanforderungen
ab. Für alle Wireless-Technologien wird der Markt wachsen.
BILD 5: Typisches WirelessHart-Netzwerk mit vermaschter Netzwerktopologie und redundantem
Gateway. Für die analogen Signale von Temperatur-, Druck oder Füllstandüberwachungen mit relativ
langen Zykluszeiten reicht die Übertragungsgeschwindigkeit von maximal 250 kBit/s aus.
mit maximal 250 kbit/s und bietet somit eine ausreichende
Geschwindigkeit. Allerdings steigt die tatsächliche
Übertragungszeit linear mit der Anzahl der Hops, die
eine Information zurücklegen muss, bis sie beim Gateway
eintrifft (Bild 5).
Da prozesstechnische Anlagen oft durch ihre Größe
und aufgrund der Erzeugnisse, wie etwa Benzin,
Kunststoffe, Pestizide und vieles mehr in ihrer gesamtgesellschaftlichen
Relevanz wahrgenommen werden,
sind die Anforderungen an eine sichere Kommunikation
besonders hoch. Durch Verschlüsselung und Authentifizierung
auf Applikationsebene (Ende-zu-Ende)
und auf Paketebene (Hop-zu-Hop) bietet WirelessHart
eine hohe Sicherheit gegen Angreifer von außen und
gegen die unauthorisierte Nutzung von Daten innerhalb
des Netzwerks.
Auf Applikationsebene beginnt die Sicherheit bereits,
bevor sich ein Teilnehmer an einem WirelessHart-
Netzwerk anmeldet. Im Gateway wird für das Netzwerk
ein sogenannter Join-Key vereinbart. Während des Anmeldeprozesses
(Joining) muss ein neues Gerät den
korrekten Join-Key vorweisen. Danach wird zwischen
dem neuen Gerät und dem Gateway ein exklusiver
Session-Key vereinbart, der keinem weiteren Gerät bekannt
ist. Grundsätzlich wird darüber hinaus jedes
Datenpaket separat verschlüsselt und mit Authentifizierung
übertragen.
ZUVERLÄSSIG MIT REDUNDANZ UND KANALHOPPING
Da viele Produktionsprozesse in prozesstechnischen
Anlagen nicht unterbrochen werden dürfen – also lückenlos
gesteuert und überwacht werden müssen – ist
die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Kommunikation
hier besonders wichtig. Dies gewährleisten
WirelessHart-Netzwerke mit einer Reihe technischer
Lösungen.
atp edition
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23

PRAXIS
Zunächst sind diese Netzwerke in Maschen-Form
(meshed network) aufgebaut. Ein Teilnehmer baut eine
Verbindung zu allen erreichbaren Teilnehmern in seiner
näheren Umgebung auf. Die Kommunikation wird
so nahezu beliebig redundant und es ist sicher, dass
auch beim Ausfall eines Teilnehmers alle weiteren erreichbar
bleiben. Zudem wird die gesamte Kommunikation
im WirelessHart-Netzwerk Zeitschlitz-orientiert
(TDMA – Time Division Multiple Access) aufgebaut.
So bekommt zu jedem Zeitschlitz ein Knoten den
Kommunikationskanal exklusiv zugewiesen. WirelessHart
verhält sich somit ähnlich deterministisch wie
drahtgebundene Feldbusse und erhöht deutlich die
Zuverlässigkeit der Applikation.
Zusätzlich wird der Kommunikationskanal auf die
verfügbaren Frequenzkanäle im 2,4-GHz-ISM-Frequenzband
aufgeteilt. Insgesamt stehen WirelessHart
14 überlappungsfreie Frequenzkanäle zur Verfügung
(Bild 6). Das Hopping über die Kanäle liefert eine deutlich
robustere Kommunikation bei Koexistenzproblemen
oder schlechten Kanalbedingungen, die beispielsweise
durch Mehrwegeausbreitung hervorgerufen sein
können.
Das WirelessHart-Netzwerk wird von einem zentralen
Punkt aus, dem Netzwerk-Manager, aufgebaut und betrieben.
Dieser legt beim Hochlauf des Netzes fest, welcher
Knoten zu welchem Zeitschlitz auf welchem Kanal
mit welchem benachbarten Knoten kommunizieren darf.
Während der gesamten Laufzeit wird dieses Schema permanent
überwacht und optimiert. Die gesamte Intelligenz
des Netzwerk-Managers ist Bestandteil des WirelessHart-Gateways.
Damit bei dessen Ausfall nicht das
komplette Netzwerk zusammenbricht, kann die Topologie
mit Hilfe eines aktiven Gateways und eines passiven
Gateways redundant aufgebaut werden. Sollte das aktive
ausfallen, übernimmt das passive Gateway aktiv die Kontrolle.
Die redundante Ausführung des Gateways ist für
das dahinterliegende Netzwerk transparent.
WIRELESS LAN IST AUCH ECHTZEITFÄHIG
Wireless LAN (WLAN) ist ein offener Standard gemäß
IEEE 802.11abgn, der die hohen Anforderungen an die
anlagenweite Kommunikation auf der Steuerungsebene
in puncto Zuverlässigkeit, Datendurchsatz und Datenübertragung
erfüllen kann. Er ermöglicht die gleichzeitige
Übertragung unterschiedlicher Kommunikationsdienste
und kommt in der industriellen Automatisierung
dann zum Einsatz, wenn höhere Anforderungen an Echtzeitfähigkeit
oder Bandbreite stellen, die WirelessHart
nicht erfüllen kann.
WLAN kann gemäß Standard IEEE 802.11n Brutto-
Datenraten bis zu 600 MBit/s übertragen und mit industrietauglichen
Optimierungen die für die Feldbuskommunikation
notwendigen Echtzeitübertragungen erreichen.
Grundlage sind hier die lizenzfreien 2,4- und
5-GHz-ISM-Frequenzbänder.
Datenrate
600
Frequenzkanal
Mittelfrequenz (MHz)
500
400
300
200
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
2405 2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450 2455 2460 2465 2470
100
0
1999 1999 2003 2004 2009 2009
802.11a 802.11b 802.11g 802.11h 802.11n 802.11n
2x3:2 2x3:3
Bei 802.11n: Sendeantennen x Empfangsantennen : Anzahl Datenströme
2009
802.11n
4x4:4
Standard
ratifiziert
BILD 6: Zusätzlich zur Einteilung des Kommunikationskanals in Zeitschlitze
wird dieser bei WirelessHart auf die verfügbaren Frequenzkanäle
innerhalb des 2,4-GHz-ISM-Frequenzbandes aufgeteilt. So stehen
WirelessHart 14 überlappungsfreie Frequenzkanäle zur Verfügung.
BILD 7: Die neuesten WLAN-Standards
bieten deutlich höhere Übertragungsraten
als Fast Ethernet und eröffnen viele
neue Möglichkeiten: beispielsweise die
Kombination der Kommunika tion
zwischen Automatisierungskomponenten
und High-Definition-Videostreams
über dieselbe drahtlose Infrastruktur.
Heim-/Büronetz
Industrielle Umgebung
Schutzklasse IP20 Bis zu IP67
Temperatur 0… +30°C -40… +70°C
Material Plastik Metall
Stromversorgung 110/230 VAC 24 VDC
BILD 8: Für den industriellen
Einsatz muss die WLAN-Hardware
andere Eigenschaften besitzen als
in der Büroumgebung.
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atp edition
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„UR-STANDARD“ BOT NUR 2 MBIT PRO SEKUNDE
Der „Ur-Standard“ IEEE 802.11 legacy aus dem Jahr 1997
nutzt das 2,4-GHz-ISM-Frequenzband und bietet lediglich
eine Brutto-Übertragungsrate von bis zu 2 Mbit/s. Im
großen Stil kamen WLAN-Produkte in der Industrie erst
einige Jahre später zum Einsatz, als der IEEE 802.11b-
Standard im gleichen Frequenzband eine Brutto-Übertragungsrate
von bis zu 11 Mbit/s ermöglichte. Hier wird
mit dem Modulationsverfahren Direct Sequence Spread
Spectrum (DSSS) das Trägersignal aufgespreizt, was
mehr Bandbreite erzeugt als für den eigentlichen Nutzdatenstrom
nötig wäre. Dadurch wird das Signal nahezu
unempfindlich gegenüber schmalbandigen Störungen im
selben Frequenzbereich. IEEE 802.11b kommt auch heute
noch in vielen Geräte, wie etwa Handhelds, zum Einsatz.
IEEE 802.11H ERSCHLIESST AUCH DEN AUSSENBEREICH
IEEE 802.11g ermöglicht einen höheren Brutto-Datendurchsatz
von bis zu 54 Mbit/s im 2,4-GHz-ISM-Frequenzband.
Die gleiche Datenübertragung nutzt der für
das 5-GHz-ISM-Band ausgelegte Standard IEEE 802.11a.
Zur Modulation verwenden beide Standards Orthogonal
Frequency Division Multiplexing (OFDM), das sich
durch mehrere einzelne schmalbandige Trägersignale
auszeichnet, über die der Nutzdatenstrom verteilt wird.
IEEE 802.11h wiederum ist eine Erweiterung des Standards
IEEE-802.11a. Er erschließt Anwendungen im Außenbereich,
höhere zulässige Sendeleistungen und weitere
Frequenzen. Diese muss er sich aber mit Primärnutzern
wie Radarsystemen sowie den Bereichen Meteorologie,
Militär oder Schifffahrt teilen. Für den
Sekundärnutzer sind somit bestimmte Protokolleigenschaften
verpflichtend vorgeschrieben: Beispielsweise
muss sich das WLAN selbst abschalten, sobald ein Primärnutzer
auf derselben Frequenz detektiert wird. Der
Access Point schaltet sich anschließend wieder ein und
sucht sich nach einem Scan des Frequenzbandes eine
Frequenz, in welcher der Primärnutzer nicht aktiv ist.
Diese Technik heißt Dynamic Frequency Selection (DFS).
NEUESTE WLAN-VERSION FÜR 600 MBIT/SEKUNDE
Der neueste Standard IEEE 802.11n definiert Brutto-Bandbreiten
von maximal 600 Mbit/s. In der Praxis hingegen
sind aufgrund der Hardwarebeschaffenheit zurzeit maximal
450 Mbit/s brutto verfügbar. IEEE 802.11n verwendet
die Frequenzbänder 2,4 GHz und 5 GHz. Durch die
Unterstützung beider Frequenzbänder vergrößert sich
unter anderem die Zahl der für das gesamte Netzwerk zur
Verfügung stehenden Kanäle. In der Praxis ist davon auszugehen,
dass im Falle einer Kombination des 2,4-GHz-
(drei Kanäle) mit dem 5-GHz-ISM-Frequenzband (19 Kanäle)
insgesamt 22 überlappungsfreie Kanäle verfügbar
sind. Allerdings müssen hier auch alle Netzwerk-Clients
– also Endgeräte wie Client-Module, Laptops oder Smartphones
– beide Frequenzen unterstützen.
Wie bei den herkömmlichen Standards kann sich ein
WLAN-Client mittels Roaming mit unterschiedlichen
Access Points und somit auch unterschiedlichen Kanälen
verbinden. Roaming bezeichnet die Übergabe der
Netzwerkverbindung des Clients von einem Access Point
zum anderen und wird eingesetzt, um die Reichweite
eines WLAN-Netzwerks zu vergrößern. Verwendet ein
Client den Standard IEEE 802.11n und unterstützt
2,4 GHz sowie 5 GHz, dann kann er sogar zwischen den
einzelnen Frequenzbändern wechseln. Das Roaming von
Clients zwischen Access Points mit unterschiedlichen
Frequenzbändern vereinfacht die Planung zuverlässiger
und störungsfreier WLAN-Netzwerke erheblich.
ZEHNMAL SCHNELLER ALS FAST ETHERNET
Mit einem Netto-Durchsatz von bis zu 220 Mbit/s unter
Idealbedingungen bietet der Standard IEEE 802.11n höhere
Datenraten als das Fast Ethernet. Durch diese im
Vergleich zu den bisherigen Standards nahezu zehnmal
höhere Netto-Übertragungsrate eröffnen sich viele neue
Möglichkeiten: beispielsweise die Kombination der
Kommunikation zwischen Automatisierungskomponenten
und High-Definition-Videostreams über dieselbe
drahtlose Infrastruktur oder der gleichzeitige Transfer
mehrerer High-Definition-Videostreams (Bild 7). Brutto-
Datenraten von 6,77 Gbit/s werden von dem neuen Standard
IEEE 802.11ac erwartet, der im 5 GHz-ISM-Frequenzband
arbeitet und Anfang 2014 verabschiedet
werden soll.
Der zweite Teil dieses Beitrags beschreibt in atp edition
10/2013 konkrete industrielle WLAN-Anwendungen
und die Möglichkeiten der Mobilfunknetze.
AUTOREN
Dipl.-Ing. JENS GREBNER ist
Product Manager für Industrial Remote
Commu nication bei Siemens.
Siemens AG,
Gleiwitzer Str. 555, D-90475 Nürnberg,
Tel. +49 (0) 911 895 28 94,
E-Mail: jens.grebner@siemens.com
B.Sc. SANDER ROTMENSEN ist
Product Manager Industrial Wireless
LAN bei Siemens.
Tel. +49 (0) 911 895 46 92,
E-Mail: sander.rotmensen@siemens.com
Dipl.-Betriebswirtin ROSWITHA SKOWRONEK
ist Marketing Manager für industrielle
Netzwerk komponenten bei Siemens.
Tel. +49 (0) 911 895 43 09,
E-Mail: roswitha.skowronek@siemens.com
atp edition
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HAUPTBEITRAG
Energie sparen in
geregelten Pumpensystemen
Vermeidbaren Druckverlust der Regelarmatur ermitteln
In Anlagen finden sich häufig Pumpensysteme mit überdimensionierten Pumpen. Ein
Energieeinsparpotenzial lässt sich erschließen, wenn es gelingt, den Anteil des Druckverlustes
der Regelarmatur zu ermitteln, der sich vermeiden ließe. Hierzu werden im
Beitrag Möglichkeiten aufgezeigt, die sich auf Daten aus der Anlage stützen. Diese erlauben
es, einen vermeidbaren Druckverlust zu bestimmen. Das ermöglicht es, den Leistungsbedarf
zu verringern, entweder durch eine Pumpe mit geringerer Leistung, vorzugsweise
durch das Abdrehen des Laufrads, oder alternativ durch eine Drehzahlverstellung. Bei
kleineren Pumpen in der chemischen Industrie stellt dabei – abhängig vom Einzelfall –
die nachträgliche Anpassung eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative dar.
SCHLAGWÖRTER Pumpe / Energieeinsparung / Drosselregelung / Abdrehen Laufrad
Energy conservation in controlled pump systems –
Identifying avoidable pressure losses in throttle control systems
Industrial plants frequently employ oversized pumps, so that energy consumption may be
unnecessarily high. Reductions are possible by determining the avoidable pressure drop
caused by excessive control valve throttling. Ways are described to identify this avoidable
pressure drop, based on data extracted from the plant. Utilising the data it is possible to
lower energy consumption by choosing another pump, trimming the impeller, or alternatively
switching to a variable speed drive. In the process industry, where the majority of
centrifugal pumps have relatively low power ratings, trimming the impeller frequently
turns out to be rather economical.
KEYWORDS pump / energy conservation / throttle control systems / trimmed impeller
26
atp edition
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WALTER SCHICKETANZ, Pumpenfachingenieur
Die Einsparung elektrischer Energie ist ein Ziel,
das den regulatorischen Vorgaben entspringt
und unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit
zunehmend an Bedeutung gewinnt.
Eine Untersuchung von Pumpen, vorwiegend in
Unternehmen der chemischen Industrie, erfasste etwa
35 000 Strömungspumpen mit bekannter Hydraulik [1].
Dabei zeigte sich, dass der Anteil der Chemie-Norm-Pumpe
bei etwa zwei Drittel liegt. Insgesamt weisen mehr als
drei Viertel aller Pumpen eine Leistung von weniger als
15 kW auf. Die Pumpen werden zum größten Teil kontinuierlich
betrieben. Während bei Neuanlagen die Drehzahlverstellung
mittels Frequenzumrichter – üblicherweise
ab einer bestimmten Leistung (zum Beispiel 10 kW
[2]) in Betracht gezogen – einen geringen Energiebedarf
verspricht, steckt in installierten Pumpensystemen ein
Einsparpotenzial, welches sich nur durch nachträgliche
Modifikationen heben lässt; um dieses abzuschätzen,
müssen der tatsächlich erforderliche Betriebspunkt und
das Lastprofil ermittelt werden.
Der Leistungsbedarf einer Pumpe wird bestimmt durch
den Betriebspunkt, das heißt Förderleistung und Systemdruck;
letzterer setzt sich aus dem statischen und dynamischen
Druckverlust sowie gegebenenfalls dem einer
Regelarmatur zusammen. Die Regelung in Anlagen erfolgt
in erster Linie mit Hilfe von Stellarmaturen, die angedrosselt
werden (Drosselregelung). Liegt der tatsächliche
Druckverlust des Systems unter dem, der berechnet worden
ist, so muss die Regelarmatur einen höheren Druckverlust
erzeugen als eigentlich erforderlich wäre. Diese
Differenz wird als vermeidbarer Druckverlust bezeichnet.
Er resultiert aus Unsicherheiten bei der Anlagenplanung,
wo zum Beispiel mit Widerstandsbeiwerten aus der Literatur,
grob geschätzten Verläufen der Rohrleitungen gearbeitet
werden muss; bei Pumpen sind Toleranzen zu berücksichtigen.
Dies führt zum Teil zu überhöhten Sicherheitszuschlägen,
die sich aufgrund des Planungsablaufs
im Allgemeinen später nicht mehr revidieren lassen; überdimensionierte
Systeme sind daher fast unvermeidlich.
Der Druckverlust und damit der Leistungsbedarf eines
Systems lässt sich durch folgende Alternativen reduzieren:
a | Anpassung der Pumpe, wobei der vermeidbare
Druckverlust mehr oder weniger eliminiert wird,
b | Änderung der Drehzahl der Pumpe, wobei gegebenenfalls
eine Drehzahlregelung implementiert wird.
1. VERMEIDBARER DRUCKVERLUST
Wenn die Pumpencharakteristik und die Leistungsaufnahme
ermittelt werden, wofür der Markt verschiedene
Messsysteme bietet, so lässt sich abschätzen, inwieweit
der Förderstrom der Auslegung entspricht und ob die
eingesetzte Pumpe mit hinlänglichem Wirkungsgrad
arbeitet. Der vermeidbare Druckverlust des Systems lässt
sich jedoch so nicht feststellen. Erst wenn dieser ermittelt
ist, kann ein Energieeinsparpotenzial abgeschätzt
und erschlossen werden.
Ein Weg dazu eröffnet sich – abgesehen von einer
meist wenig genauen Nachrechnung – falls es möglich
ist, die Armatur, die die Drosselung bewirkt, voll zu öffnen;
dabei kann es sich um eine Hand- oder Regelarmatur
handeln [3]. In der chemischen Industrie dürfte dieses
Vorgehen allerdings nur in Einzelfällen möglich sein, da
die Gefahr besteht, dass durch den damit verbundenen
Anstieg des Durchflusses die Produktion behindert wird
oder zusammenbricht. Erfolgt ein derartiger Versuch in
einer nicht produzierenden Anlage, so kommt dem meist
eine nur geringe Aussagekraft zu. Es wird daher im Beitrag
aufgezeigt, wie sich ein vermeidbarer Druckverlust
in einer laufenden Anlage ermitteln lässt, ohne dabei den
Betrieb zu beeinträchtigen oder zu stören.
1.1 Darstellung im H-Q-Diagramm
Das Bild 1 zeigt ein einfaches Pumpensystem, wobei die
Regelarmatur RV ihr Stellsignal von einem Regler innerhalb
des Systems – hier vom Standregler LC – oder vom
übergeordneten Prozess erhält. Sie drosselt den Durchfluss
so weit an, dass der Soll-Förderstrom Q S erzielt
wird. Der zu überwindende Druck des Systems setzt sich
atp edition
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27

HAUPTBEITRAG
zusammen aus der statischen Druckdifferenz, inklusive
der geodätischen Höhe H g , und dem dynamischen Druckverlust
sowie dem des Aktors.
Der Betriebspunkt des Systems wird in einem H-Q-
Diagramm dargestellt, siehe Bild 2. Den Ausgangspunkt
bildet der berechnete Druckbedarf des Systems ohne
Berücksichtigung der Regelarmaturen, das heißt Punkt
B‘ beim Volllast-Soll-Durchfluss Q S . Dazu addiert sich
der Druckverlust der Regelarmatur, was im Idealfall den
Druck ergibt, den die Pumpe zu liefern hat, Punkt B.
Dieser liegt auf der Pumpenkennlinie H p = f (Q). (In vielen
Fällen wird die Pumpe einen etwas höheren Druck
liefern als erforderlich ist, was eine weitere Erhöhung
des Druckverlusts der Regelarmatur erzwingt.) Sinkt nun
der Druckverlust des Systems infolge der Überschätzung
auf den Wert R’, der auf der tatsächlichen Druckverlaufskurve
des Systems H oRV liegt, so muss die Regelarmatur
die Druckdifferenz der Punkte B minus R’ bewältigen.
Diese Differenz enthält einen vermeidbaren Druckverlust
B’ minus R’. Wird dieser vom Betriebspunkt B abgezogen,
so ergibt sich der Punkt R, der um diesen Wert,
das heißt ∆H V , unter dem ursprünglichen Punkt B liegt.
R stellt somit den Auslegungspunkt einer hypothetischen
– das heißt einer neuen oder modifizierten – Pumpe
dar, die einen entsprechend reduzierten Leistungsbedarf
aufweist. Die Druckhöhe von B folgt aus der Druckmessung
auf der Druckseite der Pumpe unter Berücksichtigung
der statischen Druckverhältnisse am Messort
und eventuell des Geschwindigkeitsterms. Für die Regelung
steht also im Falle einer Pumpe mit dem Arbeitspunkt
R die Druckdifferenz R minus R’ zur Verfügung.
Diese deckt auch den Punkt R’’ ab, der sich ergibt, wenn
der bleibende Druckverlust der voll geöffneten Regelarmatur
(Widerstandsbeiwert ξ) zur Druckverlaufskurve
des Systems H oRV addiert wird; letztere beginnt beim
Durchfluss Q = 0 mit der statischen Druckhöhe und
steigt stetig an.
1.2 Ermittlung
Da die überdimensionierte Pumpe einen zu hohen Druck
liefert, muss die Regelarmatur ihren Hub auf einen Wert
reduzieren, der unter dem der Auslegung liegt, das heißt
die Armatur drosselt stärker an als geplant. Aus dem Hub
beziehungsweise dem k v -Wert am Betriebspunkt B lässt
sich der tatsächliche Druckverlust der Regelarmatur bei Q S
berechnen. Bei der Planung wird für diesen meist ein Erfahrungswert
herangezogen. Wird die Differenz der beiden
Werte angesetzt, so ergibt sich ein vermeidbarer Druckverlust,
wobei die tatsächliche Druckverlaufskurve H oRV nicht
bekannt sein muss. (Erfahrungswerte für den Druckverlust
der Regelarmatur, wie 0,5–1 bar oder 10 % und mehr des
dynamischen Druckverlusts des Systems, siehe zum Beispiel
[4], bei einem empirisch festgelegten Hub.)
Ein höherer Wert für den vermeidbaren Druckverlust
ergäbe sich, wenn die Regelarmatur am Betriebspunkt R
der hypothetischen Pumpe so weit geöffnet wäre, dass
sich alle Regelschwingungen gerade noch abdecken lassen,
der Hub also gegen 100 % geht. Dieser Hub lässt sich
im Betrieb ermitteln, falls der Regelarmatur eine weitere
Armatur vor- oder nachgeschaltet ist, und sich der Durchfluss
messen lässt. Bild 3 stellt die Vorgehensweise schematisch
dar: Während ein Handventil V2 angedrosselt
wird, wird die Regelung die Regelarmatur V1 auffahren.
Dabei muss der Durchfluss konstant gehalten werden,
zum Beispiel mit Hilfe eines anklemmbaren Messgeräts,
Symbol FI (Leistungsaufnahme und pumpendruckseitiger
Druck haben ebenfalls konstant zu bleiben.). Vom
normalen Betrieb mit dem Hub h B fährt die Regelung die
Armatur V1 auf den Hub h R . Die Werte für h B und h R lassen
sich mehr oder weniger genau feststellen. Es wird
also ein Teil des Druckverlusts der Regelarmatur V1 auf
die Armatur V2 verlagert, wobei die Summe der Druckverluste
von V1 und V2 konstant bleibt; so werden die
Strömungsverhältnisse an V1 simuliert, die denen am
Betriebspunkt R entsprechen (inkompressible Flüssigkeit).
Da es meist relativ schwierig ist, Handarmaturen
feinfühlig zu drosseln, muss dazu eventuell für V2 eine
Art Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden.
In der Regelungstechnik wird der Durchflusskoeffizient
k V einer Regelarmatur durch eine dimensionsbehaftete
Gleichung [4] definiert. Aus dieser abgeleitet folgt
bei konstantem Durchfluss Q S die Druckdifferenz zwischen
den Hüben h B und h R ,
(
(
ρ
Δpv = Q S ² ∙ ∙ 1 – 1
1000
{
[k v (h B )]² [k v (h R )]²
{
(1)
Die Funktion k v = f (h) der jeweiligen Regelarmatur ist
bekannt; hierzu stellt der Armaturenhersteller entweder
genaue Daten bereit oder gibt die Art der Ventilcharakteristik
und den k v -Wert der Ventilserie an. In jedem Fall
müssen die Toleranzen Berücksichtigung finden. Wird die
in der Pumpentechnik gängige Druckhöhe in [m] Flüssigkeitssäule
anstelle des Drucks benutzt, so führt dies zu:
∆H V = ∆p v ∙
100 000
(g ∙ ρ) (2)
Lässt sich die Druckdifferenz direkt messen, so erübrigt
sich natürlich die Berechnung.
1.3 Festlegung des Hubs der Regelarmatur
Um das Maximum des vermeidbaren Druckverlusts zu
erzielen, sollte die Regelarmatur beim Durchfluss Q S möglichst
weit geöffnet sein; zugleich muss die Regelung aber
noch alle Störungen problemlos ausregeln können; es gilt,
das Spiel der Regelung abzudecken. Die beschriebene Vorgehensweise,
das heißt die Verlagerung eines Teils des
Druckverlusts von der Regelarmatur V1 auf eine Handarmatur
V2, ermöglicht, den entsprechenden Hub h R bei
laufendem Betrieb zu ermitteln ohne diesen zu stören:
Da Q S der Durchfluss bei Volllast ist, könnte zum
Beispiel bei einem Hubventil eine Öffnung beziehungsweise
ein k V von 90 % genügen, um das Spiel
der Regelung abzudecken [5], was im Betrieb verifiziert
werden sollte.
Aus den Betriebsprotokollen ergibt sich im Allgemeinen
die Schwankungsbreite der Abweichungen
vom Solldurchfluss Q S (und eventuell des Hubs),
verursacht durch das Spiel der Regelung. Ebenso
lässt sich feststellen, inwieweit Abweichungen infolge
besonderer Betriebszustände, zum Beispiel
beim Anfahren, aufgetreten sind. Daraus ergibt sich
der maximale Durchfluss Q Smax , von dem aus sich
auf den Hub h R zurückrechnen lässt.
28
atp edition
9 / 2013

Das genannte Procedere wird mehrfach angewendet,
wobei der Hub der Regelarmatur in vorsichtigen
Schritten erhöht und dabei das Regelverhalten beobachtet
wird. So gelingt es, sich an den maximal
möglichen Hub h R bei Q S heranzutasten, der infolge
der Regelschwankungen den maximalen Durchfluss
Q Smax verlangt. (Gegebenenfalls werden Störungen
aufgeprägt und ein Neutuning des Reglers vorgenommen.)
Auf diese Weise kommt ein relativ großer
Hub zustande, womit sich ein erhebliches Energieeinsparpotenzial
erschließen lässt.
Wurde ein Hub h R – wie beschrieben – ermittelt und der
entsprechende vermeidbare Druckverlust ∆H V errechnet,
so definiert dies den Betriebspunkt R, siehe Bild 2. Dieser
ließe sich mit der hypothetischen Pumpe erzielen, wobei
dann die Armatur V2 vollständig geöffnet sein muss.
2. VERTEILUNGSSYSTEME
Ein Pumpensystem besitzt häufig parallele Stränge, die
die Flüssigkeit auf mehrere Verbraucher verteilen. Dabei
wird es Abschnitte geben, die vom gesamten Strom
durchflossen werden sowie Stränge, in denen nur ein
Teilstrom fließt. Einer der Strömungswege mit seinem
Strang wird den Druck bestimmen, den die Pumpe erzielen
muss. Ein typisches offenes Verteilungssystem
stellt Bild 4 dar. Unmittelbar auf der Pumpendruckseite
befindet sich meist ein Manometer und es zweigt ein
By-Pass ab, der den Mindestdurchfluss der Pumpe garantiert.
Danach folgen eine Rückschlagklappe und die
druckseitige Absperrarmatur V2. Der druckverlustbestimmende
Strang 1 führt vom Verzweigungspunkt VZ
zum Verbraucher B1; in diesem Strang sitzt die Regelarmatur
V1. Parallel dazu verläuft der Strang 2, der lediglich
ein dynamisches Widerstandsglied aufweist, hier
repräsentiert durch die Blende F. Besitzt der Strang 1
keine geeignete Handarmatur, so wird für das geschilderte
Procedere die üblicherweise vorhandene druckseitige
Absperrarmatur V2 herangezogen und wie oben
geschildert vorgegangen. Infolge des Androsselns dieser
Armatur sinkt der Druck an der Verzweigungsstelle VZ;
damit steht dem Strang 2 eine geringere Druckdifferenz
zur Verfügung. Es besteht daher die Gefahr, dass ein
derartiger Strang nicht mehr den bestimmungsgemäßen
Durchfluss erzielt. Diese Gefahr besteht auch dann, wenn
später eine Pumpe eingesetzt wird, die einen Betriebspunkt
R mit reduzierter Druckhöhe aufweist.
3. ANPASSUNG DES LAUFRADS
3.1 Abdrehen
Um einen vorgegebenen Betriebspunkt zu erzielen, wird
das Laufrad von Zentrifugalpumpen aus zerspanbarem
Werkstoff meist bereits herstellerseitig abgedreht, das
heißt im Durchmesser reduziert. Diese Anpassung – vorwiegend
bei Radialkreiselpumpen – stellt eine leicht
durchführbare Maßnahme dar. Mit Hilfe der Literatur
oder den Unterlagen des Herstellers lässt sich der reduzierte
Durchmesser einfach ermitteln. Bei mehrstufigen
Kreiselpumpen lassen sich Blindräder anstelle aktiver
Laufräder montieren. In manchen Fällen kann es sinnvoll
sein, eine neue Pumpe einzusetzen. Bei Kreiselpumpen
mit hoher Leistung, die häufig eine höhere spezifische
Drehzahl aufweisen, gestaltet sich eine Anpassung
meist aufwendig und ist kaum sinnvoll.
Bei Verteilungssystemen ist es wichtig, zu beachten, dass
durch die reduzierte Druckhöhe einer modifizierten Pumpe
die zuvor erwähnte Gefahr besteht, dass Stränge ohne
Regelungen, das heißt nur mit dynamischen Widerstandsgliedern,
nicht ihren erforderlichen Durchfluss erzielen.
3.2 Ermittlung des maximalen Durchflusses
Wäre die Pumpenkennlinie der Pumpe (Bild 2) mit dem
ursprünglichen Laufrad nur in den Punkt R verschoben,
so würde die Regelarmatur V1 wie im Betriebsversuch
arbeiten. Wegen der Verschiebung des Betriebspunkts
von B nach R sowie des sinkenden Laufraddurchmessers
ist die Pumpenkennlinie durch R jedoch meist etwas
stärker gekrümmt; dies hat zur Folge, dass beim Überschwingen
der Regelarmatur, das heißt über Q S hinaus,
BILD 2: H-Q-Diagramm
eines Pumpensystems
mit den Betriebspunkt B
bei überdimensionierter
Pumpe und dem Punkt R
bei vermeidbarem
Druckverlust ∆H V
BILD 1: Einfaches Pumpensystem mit Drosselregelung;
geodätische Höhe Hg plus Druckdifferenz
(p2-p1) ergibt statische Druckdifferenz.
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29

HAUPTBEITRAG
BILD 3: Vorgehensweise zur Ermittlung
des vermeidbaren Druckverlusts
mit Hilfe einer Regelarmatur
BILD 4: Typisches Verteilungssystem, Strang 1 geregelt, Strang 2
ohne Regelung, nur mit dynamischem Strömungswiderstand
sich die verfügbaren Druckdifferenzen leicht reduzieren.
Wurde durch Herantasten eine relativ große Öffnung der
Regelarmatur erreicht und die dabei auftretenden
Schwankungen des Durchflusses ermittelt, so muss sichergestellt
werden, dass der zugehörige maximale
Durchfluss Q Smax durch die angepasste Pumpe erzielt
beziehungsweise etwas übertroffen werden kann. Wird
eine neue kleinere Pumpe eingesetzt, so versteht sich
diese Berechnung von selbst.
Es gilt daher zu ermitteln, welchen maximalen Durchfluss
die voll geöffnete Regelarmatur erlaubt. Dazu wird aus dem
K V100 - beziehungsweise K VS -Wert der Regelarmatur deren
Widerstandsbeiwert bei voller Öffnung mit Hilfe der dimensionsbehafteten
Beziehung berechnet, hier mit d in cm:
1,620 π² d
ξ = 4
=
(K VS )²
16 d 4
(K VS )² (3)
Der daraus resultierende Druckverlustterm wird zu
der Druckverlaufskurve H oRV addiert. Der Schnittpunkt
mit der Pumpenkennlinie der modifizierten Pumpe
ergibt den maximalen Durchfluss, der sich jetzt erzielen
lässt. H oRV kann mit Hilfe der beiden bekannten Punkte,
R‘ und der statischen Druckhöhe, abgeschätzt werden;
sinnvoll ist es aber, mehrere Punkte zu ermitteln. Dabei
ist zu beachten, dass im Falle eines Verteilungssystems
die Druckverlustkurve des maßgeblichen Strömungswegs
H oRV auch bei voll turbulenter Strömung nicht
notwendigerweise einer einfachen Parabel entspricht.
Die Gleichung (3) zeigt, dass sich mit einer widerstandsarmen
Regelarmatur der Durchfluss erhöhen lässt,
was durch einen Austausch der Armatur oder der Sitzgarnitur
geschehen kann. Auf diese Weise vergrößert sich bei
einer Pumpe mit dem Betriebspunkt R der maximal erzielbare
Durchfluss Q Smax im Vergleich zu dem der installierten
Regelarmatur noch etwas. Der Einfluss dieser Maßnahme
ist meist nicht allzu groß; er hängt von den gewählten
Parametern am Betriebspunkt sowie der Pumpenkennlinie
und der Druckverlaufskurve des Systems ab. Ferner
ist zu beachten, dass Regelarmaturen, insbesondere bei
gleichprozentiger Charakteristik, nahe der vollständigen
Öffnung Probleme bezüglich der Stabilität aufwerfen können.
Eine modifizierte Charakteristik schafft hier Abhilfe.
4. DREHZAHLVERSTELLUNG
Der Betriebspunkt R lässt sich auch erreichen, indem die
Drehzahl der Pumpe verringert wird. Besitzt diese ein
mechanisches Getriebe, so ist eine neue Festdrehzahl
meist unkompliziert einstellbar.
Wird eine elektronische Drehzahlverstellung mit Hilfe
eines Frequenzumformers gewählt, so lässt sich die
Drosselregelung vielfach vollständig durch eine Drehzahlregelung
ersetzen, was die Energieeinsparung vergrößert.
Dies führt zum Betriebspunkt R’ in Bild 2. In
einem bestehenden System kann das Lastprofil gemessen
werden, was die Wirtschaftlichkeit dieser Nachrüstungsmaßnahme
wesentlich bestimmt. Aber selbst bei
manchen, stark unterschiedlichen Betriebsfällen – wie
zum Beispiel periodisches Fördern aus einem Tank sowie
Umwälzen des Tankinhalts – ist nicht unbedingt
der Einsatz einer Drehzahlverstellung sinnvoll; hier
genügt häufig eine sorgfältige Planung und Inbetriebnahme.
5. VERGLEICH
Eine Entscheidung zwischen den Alternativen a) und b)
erfolgt im Allgemeinen auf Grund einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung,
basierend auf den jeweiligen Investitions-
und Betriebskosten. Für die Drehzahlregelung
finden sich Richtwerte für den Umformer von 100–200 €
pro kW Pumpenleistung und Installationskosten von
etwa 2000 € je Pumpeneinheit [6]. Allerdings scheinen
hierbei Ingenieurkosten und die Belange der chemischen
Industrie [2], das heißt in erster Linie die Erfordernisse
bezüglich des Explosionsschutzes, sowie die Einbindung
in ein Prozessleitsystem nicht berücksichtigt worden zu
sein. Im Falle, dass die gleiche Funktionalität wie bei
der Drosselregelung erforderlich ist, dürften zudem die
Kosten für die Umstellung eines Systems auf eine Drehzahlregelung
deutlich steigen, zum Beispiel bei einer
Absperrung zu Verbrauchern. Da ein Großteil der Pumpensysteme
eine installierte Reservepumpe besitzt (etwa
80 % nach [1]), kommen gegebenenfalls Kosten für das
30
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9 / 2013

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Umrüsten des Systems hinzu. Der Verzicht auf eine
Reservepumpe ist aber kaum möglich, da – sachgerechte
Auslegung vorausgesetzt – bei der Drossel- und
bei der Drehzahlregelung prozessseitig die gleichen
Probleme auftreten werden; darüber hinaus erhöht
der Umrichter tendenziell die Ausfallwahrscheinlichkeit
geringfügig.
Die Kosten für die Laufradanpassung betragen bis
zu 1000 € pro Pumpe [6]. Das Anpassen des Laufrads
oder die Installation einer kleineren Pumpe gestaltet
sich dann kostenmäßig besonders vorteilhaft, wenn
dies im Rahmen von Wartungs- oder Reparaturarbeiten
geschieht. Es ist sinnvoll, die Reservepumpe mit
einem Originallaufrad zu versehen, sodass im Notfall
darauf zurückgegriffen werden kann, falls der Durchfluss
erhöht werden soll.
Mit den genannten Kosten und unter Berücksichtigung
der Erfordernisse der chemischen Industrie
wurden die Lebenszykluskosten für die Nachrüstung
eines Pumpensystems ausgerechnet. Dem Beispiel
lag ein Pumpen-Leistungsbedarf von etwa
12 kW und ein Betriebsbereich nahe dem Auslegungsdurchfluss
zugrunde. Es zeigte sich, dass das
Abdrehen im Vergleich zur Drehzahlregelung die
wirtschaftlich günstigere Alternative darstellt; dies
gilt, obwohl zusätzliche Kosten des Umrichterbetriebs,
wie höherer Schaltraumkühlungsbedarf, höhere
Ingenieurleistungen, Instandhaltungskosten
ausgeklammert wurden. Dies bestätigt ein ähnliches
Beispiel [7], wobei dort auf die Ermittlung des vermeidbaren
Druckverlusts nicht eingegangen wurde.
Andererseits kann sich die Nachrüstung mit einer
Drehzahlregelung bei etwas höherem Leistungsbedarf
und einigen Vereinfachungen als wirtschaftlich
erweisen, wobei dies in erster Linie vom Lastprofil
abhängt [8].
Bei kleiner Leistung erscheint es somit sinnvoll,
das Energieeinsparpotenzial installierter Pumpensysteme
durch Anpassung der Pumpe ins Auge zu
fassen, siehe auch [2]; dies gilt insbesondere, wenn
sich die Abweichungen vom Auslegungsdurchfluss
in Grenzen halten. Es ist selbstverständlich erforderlich,
den Einzelfall zu betrachten, da Gesamtinvestitionskosten,
Leistungsbedarf und Lastprofil und unternehmensspezifische
Faktoren wie Lebenszykluszeit,
Diskontsatz und Energiekosten die Wirtschaftlichkeit
wesentlich bestimmen.
Abgesehen von der Höhe des Leistungsbedarfs und
der Gestalt des Lastprofils lässt sich qualitativ sagen,
dass sich die Drehzahlregelung von Kreiselpumpen
bei Nachrüstung und bei einer Neuanlage umso
günstiger gestaltet, je
steiler die Pumpenkennlinie abfällt
(Pumpen höherer spezifischer Drehzahl),
höher der dynamische Anteil am druckverlustbestimmenden
Strömungsweg liegt
(geschlossene Systeme),
flacher beziehungsweise steiler fallend die
Leistungsaufnahme über dem Förderstrom
verläuft (ebenfalls Pumpen höherer
spezifischer Drehzahl),
höher die Kosten einer Regelarmatur liegen
(teurer Werkstoff; nur bei Neuanlage).
atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München
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HAUPTBEITRAG
FAZIT
Der aus einer Überdimensionierung einer Strömungspumpe
resultierende vermeidbare Druckverlust eines geregelten
Pumpensystems lässt sich im laufenden Betrieb einer
Anlage ermitteln; dabei muss bei einem Verteilungssystem
die Regelarmatur im druckverlustbestimmenden
Strömungsweg liegen. Schon ein Rückgriff auf die ursprünglichen
Auslegungsdaten der Regelarmatur kann
die Basis für eine Einsparung durch eine Reduktion des
Leistungsbedarfs der Pumpe sein, beispielsweise durch
Abdrehen des Laufrads. Werden Daten aus dem Betrieb
im Detail analysiert und darüber hinaus Betriebsversuche
gemacht, so kann dies die Grundlage für die größtmögliche
Einsparung bilden; diese Betriebsversuche lassen sich
durchführen, ohne den Betrieb zu beeinflussen oder zu
stören. Sie zielen darauf ab, den maximalen Hub der Regelarmatur
zu ermitteln, der noch sicher das Spiel der
Regelung abdeckt. Dies führt zum maximalen Einsparpotenzial
einer angepassten Pumpe. Aus Daten des Betriebs
lässt sich ebenso das Einsparpotenzial einer Drehzahlregelung
herleiten, was es erlaubt, Nachrüstmaßnahmen
unter wirtschaftlichen Aspekten zu vergleichen.
In allen Fällen ist eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit
notwendig; für die Messungen im Betrieb sind
in erster Linie der MSR-Betriebsingenieur und das Betriebspersonal
zuständig. Die Auswertung und die Errechnung
der Daten für die Modifikation der Pumpe erfolgt
dann durch den Prozessingenieur und/oder die
Fachleute für Pumpen.
MANUSKRIPTEINGANG
24.03.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
FORMELZEICHEN
AUTOR
d Durchmesser Rohrleitung/Armatur [cm/m]
h relativer Hub [-]
H Druckhöhe [m]
HoRV Druckverlustverlauf System ohne Regelarmatur [m]
kV Durchflusskoeffizient Regelarmatur [m³/h]
HP Pumpenkennlinie
KVS nominaler Durchflusskoeffizient Regelarmatur [m³/h]
p Druck [bar]
Q Durchfluss [m³/h]
∆H Differenzdruckhöhe [m]
∆p Differenzdruck [bar]
ρ Dichte [kg/m³]
ξ Widerstandsbeiwert [-]
Indici:
B Betrieb
g geodätisch
R reduziert
S am Auslegungs-/maximalen Betriebspunkt
Smax maximaler Wert infolge der Regelung
V Verlust (unnötiger)
Dr.-Ing. WALTER SCHICKE-
TANZ (geb. 1941), Studium
der Verfahrenstechnik an der
TU München. Nach externer
Tätigkeit dort Promotion und
Eintritt in ein internationales
Unternehmen der Chemischen
Industrie. Vorwiegend
in der Projektierung von
Chemieanlagen im In-und Ausland tätig sowie
Management einer Einheit zur Projektierung von
Anlagen für ein Produktsegment. Nach Pensionierung
Beratertätigkeit sowie Mitarbeit bei
Pumpenfachinigenieur GmbH.
Pumpenfachingenieur GmbH,
Walter Schicketanz,
Heubergstr. 11, D-83026 Rosenheim,
Tel. +49 (0) 8031 797 72 97,
E-Mail: cuw22schicketanz@hotmail.de
REFERENZEN
[1] Kollmar, D., Heller, T., Kohlmann, B.: Abschlussbericht des
Verbundprojekts Zuverlässigkeitsprognose von mechatronischen
Systemen zur Ableitung restnutzungsdauerbezogener
Betriebs- und Instandhaltungsstrategien, 2010. http://www.
iml.fraunhofer.de/content/dam/iml/de/documents/OE%20
240/10-12-20_ReMain_Abschlussbericht_final.pdf
[2] Bieniek, K..: Elektrische Antriebe in der Verfahrenstechnik,
S.76 ff.. VDI 2006
[3] Schicketanz, W.: Reducing avoidable pressure loss. World
Pumps 2011(532), S 18-21. Jan. 2011,
[4] Strohrmann, G.: Automatisierung verfahrenstech nischer
Prozesse. Oldenbourg Industrieverlag 2002
[5] Yu, F.: Allowable liquid control valve pressure drops.
Hydrocarbon Processing 86, S.107-113, July 2007
[6] Beer, M. et al.: CO2-Verminderung in Deutschland,
Teil II – Umwandlung und Industrie, S.123-124.
FfE-Forschungsstelle 2009
[7] Europump/Hydraulic Institute: Pump Life Cycle Costs,
Executive Summary, S.12, 2000.
[8] Lehrmann, C.: Nachrüstung von Frequenzumrichtern
– Energiesparpotentiale zum Antrieb von Strömungsmaschinen
in der chemischen Industrie. atp – Automatisierungstechnische
Praxis 51(3), S. 22-28, 2009
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HAUPTBEITRAG
Standardprofile für
elektrische Geräte
Ein IEC 61131-Funktionsbausteinkonzept
Moderne Prozessleitsysteme (PLS) erlauben es, branchen- und kundenspezifische Automatisierungslösungen
anzubieten. Entsprechend vielfältig sind die Möglichkeiten, Motoransteuerungen
anwendungs- und kundenspezifisch in diese PLS zu integrieren. Dies
umfasst unzählige Varianten der Geräteparametrisierung und unterschiedliche Definitionen
des zyklischen Prozessabbildes und der Laufzeitüberwachung der elektrischen Geräte.
Dieser Beitrag präsentiert einen Ansatz, wie sich die Geräteintegration vereinfachen
lässt, indem er Motorsteuerung und Gerätediagnose vereinheitlicht aus Sicht der PLS-
Applikationen beschreibt. Die Praxistauglichkeit wurde mit einer prototypischen Implementierung
verifiziert.
SCHLAGWÖRTER IEC 61131-Engineering / Objektorientierte Profilbildung / Generalisierte
Motoransteuerung
Model-based engineering with standard actor profiles –
Efficient creation of IEC 61131 function libraries
Process control systems (PCS) now make it possible to offer industry and customer specific
solutions. There are many ways to integrate motor control into the PCS, including
device parameterization, the definition of cyclic process image, and watchdog timing.
This article presents an approach to simplifying device integration by motor control and
device diagnosis from the PCS-application point of view. The viability of this approach
was demonstrated for a prototype implementation.
KEYWORDS electrical integration / process control / connectivity profiles / alarming and
sequence of events
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JÜRGEN GREIFENEDER, DIRK SCHULZ, PABLO RODRIGUEZ, ABB Forschungszentrum
Die Integration von elektrischen Geräten in Leitsysteme
erfordert immer mehr Zeit. Dies liegt
an der zunehmenden Komplexität der Geräte
und an der Vielfalt von branchen- und kundenspezifischen
Lösungen. Die Anpassungen reichen
von speziellen Bedienelementen über die Auswahl
anzuzeigender Information bis hin zur Parametrisierung
der Geräte sowie der IEC 61131 [1] Motorsteuerblöcke und
leztlich der Ansteuerung der elektrischen Geräte durch
ein definiertes Prozessabbild (Bild 1). Die im Beitrag betrachteten
Geräteklassen umfassen das Spektrum von
Motorstartern, über Sanftanlasser, Breaker und Frequenzumrichter,
bis zu Niederspannungsschaltanlagen.
Das Branchensegment und der Kunde beeinflussen
erheblich die Komplexität, da projektspezifische Ausprägungen
der Motorsteuerung, wie Design und Inhalt der
Bedienoberflächen zu berücksichtigen sind. Dementsprechend
wird in Bild 1 zwischen branchenspezifischen
und kundenspezifischen Funktionsbausteinen unterschieden.
Hinzu kommen gerätespezifische Steueranwendungen,
wie Logikverschaltungen. Die zugehörigen
Variablensätze gehen in die Tausende und betreffen die
Bereiche Steuerung, Bedienung, Status, Messwerte,
Feedback und Optimierung der Motoransteuerung.
Bild 2 zeigt anhand einer prinzipiellen Abschätzung,
dass durch Anzahl der Branchensegmente n mal Anzahl
der Geräteklassen k (Motorstarter, Sanftanlasser, Frequenzumrichter,
Niederspannungsschaltanlagen) mal
Anzahl der Gerätehersteller m ein Komplexitätsgrad entsteht,
der mitverantwortlich ist für steigende Engineeringkosten.
Je Branchensegment findet man häufig eine
eigene Schicht, welche durch die Anfertigung branchenspezifischer
Funktionsbibliotheken gekennzeichnet ist
und den Zweck hat, die Komplexität beim Engineering
zu reduzieren. Dieser Vorteil beim späteren Engineering
verursacht jedoch einen deutlich erhöhten Komplexitätsgrad
bei der Wartung der Bibliotheken.
Es überrascht dabei wenig, dass bei verschiedenen
Umsetzungen selbst die gleichen Signale unterschiedliche
Bezeichner besitzen, unterschiedliche Wertebereiche
und Skalierungen aufweisen (zum Beispiel Prozent
eines an anderer Stelle parametrierten Wertebereichs
oder direkt die physikalische Einheit) oder unterschiedliche
Herkunft sowie unterschiedliche Abonnenten besitzen.
Und sie werden auf unterschiedlichen Kanälen,
mit unterschiedlicher Priorität sowie unterschiedlicher
Abtastrate beziehungsweise Zugriffsverfahren abgefragt
und bereitgestellt.
Die Vielzahl der Lösungen geht also auf berechtigte
branchen- und projektspezifische Unterschiede zurück
und auf eine fehlende Abstimmung zwischen den Geräteherstellern,
Anbietern von Prozessleitsystemen und
den Engineering-Unternehmen. Ein weiteres Problem
entsteht daraus, dass für das Engineering von heute Hersteller
und Typ des elektrischen Geräts im Detail feststehen
müssen und erst dann mit den eigentlichen Arbeitsschritten
begonnen werden kann. Das bedeutet, dass eine
spätere Änderung des Gerätetyps oder Gerätelieferanten
aufwendige Nacharbeiten zur Folge hat.
Die hieraus resultierenden Unterschiede bei den Implementierungen
beeinflussen zunehmend die spätere
Austauschbarkeit, den Wartungsaufwand und die Möglichkeiten
der Weiterentwicklung.
Der Wunsch, zumindest die Gemeinsamkeiten zu standardisieren,
ist verständlich, wenn auch leichter ausgesprochen
als realisiert. Der Beitrag setzt sich daher mit
der Frage auseinander, wie eine vereinheitlichte, profilbasierte
Verbindung zwischen den in GSD Markup Language
(GSDML, [2]) repräsentierten Gerätebeschreibungen
und der zugehörigen, in IEC 61131 implementierten,
anwendungsspezifischen Logik aussehen kann. Die zugehörigen
Gerätebeschreibungen können dabei direkt
den vorgeschlagenen Profilen folgen. Andernfalls ist
eine explizite Mapping-Schicht erforderlich, mittels welcher
die IEC 61131-Profilvariablen direkt Variablen des
Geräts zugeordnet werden können.
Moderne Geräte stellen neben den zur Steuerung und
Überwachung benötigten Signalen eine Vielzahl an diagnose-
und wartungsbezogener Information zur Verfügung,
welche den Empfängern in möglichst selbsterklärender,
aber nicht überbordender Form zur Verfügung
stehen soll. Hierbei lassen sich ähnliche Vereinheitli-
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35

HAUPTBEITRAG
chungen treffen, wie für die IEC 61131-Variablen, wobei
es Informationsempfänger mit stark divergentem Informationsbedarf
gibt.
Ziel der vorgestellten Vereinheitlichung ist es, dass
unabhängig von den tatsächlich verwendeten Motorstartern
und deren jeweiligen Herstellern
IEC 61131-Motorsteuerungen erstellt werden können,
Anlagenfahrer innerhalb einer Branche dieselbe
Visualisierung und Datenstruktur verwenden,
Alarme, Fehler und Warnmeldungen stets in derselben
Weise und mit denselben Beschreibungen angezeigt
werden,
Dem Anlagenfahrer nur so viel Information angezeigt
wird, wie er benötigt. Für seine Arbeit ist es
zum Beispiel weder erforderlich, zu wissen, welcher
Motortyp sich hinter einem Motorensymbol verbirgt,
noch welche Einzelvorgänge sich in einem Gruppenalarm
verbergen.
1. BESTEHENDE PROFILE UND STANDARDS
Selbstverständlich gibt es heute schon eine Vielzahl von
standardisierten Profilen, wie in [6, 7, 8, 9] behandelt.
Diese beschreiben – in meist sehr hohem Detailgrad – die
technische Umsetzung für Teillösungen, wie beispielsweise
die Kommunikation zwischen Gerät und Feldbusmaster/IO-Controller.
Sie beschreiben jedoch im Allgemeinen
nicht, wie sich verschiedene Standards miteinander
zu einem Gesamtsystem integrieren lassen. Zwei
Gesamtlösungen, welche jeweils mehrere Standards
umsetzen, werden die Integration der einzelnen Standards
untereinander verschieden lösen, das heißt auf
nicht austauschbare Art und Weise. Des Weiteren sind
Profilstandards und konkrete Lösungen zu einem gewissen
Grad abhängig von den Protokolldiensten des verwendeten
Feldbusstandards, zum Beispiel jene zur Übertragung
von Alarmen.
Eine spezielle Herausforderung stellt hierbei Information
dar, welche nur in Profilstandards oder Herstellerhandbüchern,
nicht aber maschinenlesbar in Gerätebeschreibungen
(Profinet GSD, Gerätestammdatei) enthalten
ist. Dies stellt jedoch kein wesentliches Problem dar,
da der Vorteil der Profile unter anderem darin liegt, dass
die Struktur der IO-Daten genau definiert ist und prinzipiell
eine feste Kodierung an die Stelle einer flexiblen
GSD-Gerätebeschreibung treten kann. Gleichzeitig bedeutet
dies aber, dass eine namens- beziehungsweise
kennzeichnerbasierte IO-Belegung nicht möglich ist.
In die Reihe bestehender Profile fallen unter anderem
die IEC 62390 [10], die festlegt, wie Geräteprofile für
industrielle Feldgeräte zu entwickeln sind, sowie die
TC2 der PLCopen [11], die ein XML-Format definiert, in
dem Funktionsblöcke für Positionssteuerungen angelegt
werden können. In der Antriebstechnik steht mit der
IEC 61800-7 [12] des Weiteren ein Nachschlagewerk
funktionaler Zusammenhänge von Antrieben zur Verfügung,
das definiert, wie grundlegende Begriffe in unterschiedlichen
Standards (zum Beispiel CiA 402 Drive
and Motion Control, CIP Motion, Profidrive Sercos) zu
verwenden sind.
In der derzeit im Abstimmungsprozess befindlichen
Diagnoseguideline für Profinet IO [13] wird je ein Datenmodell
für Profinet IO [14] Geräte und Alarm-Service-Element-Diagnosen
(ASE diagnosis) eingeführt,
sowie Empfehlungen zu deren Nutzung gegeben. Des
Weiteren wird ein Benachrichtigungskonzept vorgeschlagen,
welches ein hierarchisches Diagnosemodell
enthält und definiert, ob ein alarmgebendes Gerät sofort
Bedienung
IEC 61131
Applikation
!
Status
Steuerbefehle
Funktionsbaustein
Steuerbefehle
Status
Feedback
Bedienung(
Messwerte
Gerät /
Equipment
Management
(z.B. DTM),
FDI Device
Package
branchenspezifisch
Funktionsbaustein
projektspezifisch
Alarmverarbeitung
800xA
Operation
n
x
IEC 61131
Applikationsengineering
k
x
Faceplate
branchenspezifisch (n)
Bediener-IO
Motorsteuerung
gerätespezifische IO
BILD 2:
Komplexität der
Bereitstellung
und Nutzung
(Engineering)
von IEC 61131-
Motorsteuerungs-
Funktionsblöcken
Prozess
(weitere Geräte,
z.B. Sensoren)
gerätespezifische
Steuerung
Betriebsmittel
(z.B. Motor)
Motorsteuerung
(z.B. Motorstarter,
Breaker,…)
Konfiguration
BILD 1:
Schema der
Integration
elektrischer
Geräte in ein
Prozessleitsystem
Feldbusebene
Feld
m
geräte spezifisch (m)
GSDML
D
M
36
atp edition
9 / 2013

epariert werden muss. Wesentliches Element ist außerdem
die Signalweitergabe in Controller-to-Controller-
Netzen (C2C).
2. VEREINHEITLICHTE MOTORSTEUERANWENDUNGEN
Motorantriebssteuerungen werden primär gemäß des
Arbeitsverhaltens der anzusteuernden Aktorik unterschieden
(vergleiche Bild 3). Auf der einen Seite stehen
dabei die Stellantriebe, zum Beispiel Ventile, und auf der
anderen auf Dauerbetrieb ausgelegte Motoren, wie Pumpen,
Kompressoren oder Lüfter. Der Unterschied liegt
weniger im zugehörigen Variablensatz, als vielmehr in
der Funktion: Ein Pumpenmotor, der den Befehl an erhält,
schaltet an und läuft dann, bis er ausgeschaltet
wird. Der Motor eines Stellantriebs läuft nur solange, bis
die gewünschte Position erreicht ist.
Die nächste in Bild 3 dargestellte Erweiterungsebene
repräsentiert die Unterscheidung in Schaltstufen und
Regelgetriebe. Zu den Motorsteuerungen mit Schaltstufen
gehören alle motorbetriebenen Ventile, einfache
An-Aus-Typen sowie solche, die mehrere festgelegte
Geschwindigkeiten (Aus/Langsam/Schnell) oder unterschiedliche
Drehrichtungen (Vorwärts/Stopp/Rückwärts)
unterstützen. Bei den Regelgetrieben gibt es die
Geschwindigkeitsregelung, bei der die Motordrehzahl
in der Regel in Prozent der Maximaldrehzahl angegeben
wird, sowie die Momentenregelung. Eine Bidirektionalitätsklasse
für Motorsteuerungen mit Regelgetrieben
ist nicht praxisrelevant und daher bewusst nicht vorgesehen.
Dies liegt daran, dass an die Drehrichtung
Sicherheitsaspekte gekoppelt werden können, die zum
Beispiel vor einem Umschalten eine bestimmte Mindeststandzeit
fordern.
3. HIERARCHIE DER STRUKTURIERTEN
IEC 61131-VARIABLEN
Auf der obersten in Bild 3 dargestellten Klassenebene
(Antrieb) existieren naturgemäß nur die grundlegenden
Befehle. Hierzu gehören der Fehlerreset als Ausgangsvariable
und als Eingangsvariablen Feedbacksignale zur
Betriebsbereitschaft sowie zum Betriebszustand und
zum Fehler- und Warnungsstatus. Ausgangsvariablen
sind dabei vom Funktionsbaustein zur Motorsteuerung
gerichtet, während Eingangsvariablen von der Motorsteuerung
zum Funktionsbaustein übermittelt werden.
Die zweite Ebene in Bild 3 (Dauerbetrieb/Stellantrieb)
erweitert die Ausgangsseite um das Startkommando
(start beziehungsweise öffnen). Die Eingangsseite von
Motoren wird erweitert, um allgemeine Rückmeldungen
des physikalischen Motorenstatus, wie Stromfluss, Overload
oder Stillstand. Dabei handelt es sich um Variablen
des Dauerbetriebs, welche für Stellantriebe offensichtlich
keinen wirklichen Nutzen haben. Stellantriebe hingegen
benötigen Variablen, welche den tatsächlich eingestellten
Zustand widerspiegeln, also beispielsweise
Ventil geschlossen oder zu n % geöffnet. Somit erklärt
sich die zuvor erwähnte Zweiteilung.
In ähnlicher Weise werden in der Klasse der Regelgetriebe
Rückmeldesignale zum tatsächlichen Wert der
Regelgröße benötigt. Darüber hinaus weisen derartige
Funktionsblöcke zur Motoransteuerung Eingangsvariablen
für Überlast und Umschaltbarkeit auf, ebenso wie
Ausgangsvariablen für schnelles Stoppen oder spezielle
An- und Abfahrprofile.
Der entscheidende Unterschied zwischen Regelgetrieben
und Schaltstufen liegt in der Ansteuerung. Schaltstufen
werden über einen Satz binärer Variablen angesteuert.
Jede Variable repräsentiert eine bestimmte Geschwindig-
Antriebe
Stellantriebe
(z.B. Ventil)
Dauerbetrieb
(z.B. Pumpe)
Schaltstufen
Schaltstufen
Regelgetriebe
Auf-Zu
Ventil
Motorisiertes
Regelventil
An-Aus Aus-An1-An2 Bidirektional
Variable
Geschwindigkeit
Variables
Drehmoment
Binär
Analog
Binär Binär Binär
Analog
Analog
BILD 3: Klassendiagramm der Antriebssteuerungen – ohne Spezialfälle
atp edition
9 / 2013
37

HAUPTBEITRAG
BILD 4: Implementierungsvarianten
Standard
HMI IO
Standard
HMI IO
Standard
HMI IO
bereichs spezifisch
Funktionsbaustein
auf Profil Mapper
bereichs spezifisch
Funktionsbaustein
auf Profil Mapper
profilbasiert
profilbasiert
profilbasiert
Gerätesteuerung
auf Profil Mapper
Gerätesteuerung
auf Profil Mapper
geräte spezifisch
GSDML
GSDML
geräte spezifisch
GSDML
Zyklisches
Abbild
(Status Word)
Mapping in
SCP
Standard
HMI
Nicht abbildbare
Daten
Bestehender
Motor-Funktionsbaustein
&
&
&
&
Mapping out
Wrapper
Zyklisches Abbild
(Command Word)
Bestehende
HMI
Nicht abbildbare
Daten
BILD 5: Softwarearchitektur
der Beispielimplementierung
keitsstufe und muss – da zu einem Zeitpunkt nur eine
Geschwindigkeitsstufe eingestellt sein kann – sowohl als
Befehl als auch als Rückmeldung jeweils exklusiv gesetzt
sein. Im Fall der Regelgetriebe wird hingegen eine kontinuierliche
Ansteuergröße verwendet, welche von weiteren
für die Regelung des Motors notwendigen kontinuierlichen
Variablen flankiert wird (wie Setpoint, Anfahrverhalten,
Geschwindigkeit). Die Klasse der Bidirektionalität
enthält lediglich eine boolesche Variable, welche die
Drehrichtung spezifiziert, zum Beispiel forward.
4. BEREITSTELLUNG VON
FUNKTIONSBAUSTEINBIBLIOTHEKEN
Eine effiziente Implementierung der in Bild 3 aufgezeigten
Profilhierarchie ist durch Vererbung zu realisieren. Obwohl
IEC 61131 die Objektorientierung längst spezifiziert
hat, wird dies von den PLS in der Regel nicht unterstützt.
Daher ist eine Lösung erforderlich, welche zwar der Vererbungshierarchie
folgt, selbst aber nicht objektorientiert
ist. Die technisch naheliegende Lösung besteht darin, dass
die Hersteller der elektrischen Geräte einheitlich strukturierte
E/A-Daten verwenden und dieselben Variablensignaturen
in GSD wie IEC 61131-Funktionsbausteinbibliotheken
einsetzen. Während bestehende Profile also lediglich
die Gleichheit der Telegramme auf dem Bus garantieren,
wird von den Autoren gefordert, dass auch die Variablennamen
zum einfachen automatischen beziehungsweise
automatisierbaren E/A-Mapping passen müssen.
Die zugehörige Umsetzung erfordert allerdings eine
vollständige Umstellung aller Produkte einschließlich
Migrationsstrategie. Als praxisrelevante Lösung findet
sich das Hinzufügen einer Zwischenschicht durch einen
Mapping-Block. Um diese Zwischenschicht im Engineering
effizient nutzen zu können, wird eine Kapselung
(Wrapping) der nunmehr zwei Blöcke vorgeschlagen,
sodass ein IEC 61131-Programmierer nach wie vor
nur mit einem Funktionsbaustein pro Motorsteuerung
hantieren muss. Wenn dieses Wrapping eingesetzt wird,
38
atp edition
9 / 2013

verringert sich im Vergleich zu Bild 2 nicht die Anzahl
der Funktionsblöcke, es verringert sich jedoch der Softwareentwicklungs-
und -wartungsaufwand.
Das Ziel dabei ist es, sukzessive die Variablen von Bibliotheken
und Geräten an die generalisierte Version
heranzuführen. Dieses Vorgehen ermöglicht es, weiter
die Integration und Erweiterung bestehender Systeme zu
unterstützen und dedizierte, vom Standard abweichende,
zusätzliche Variablen bereitstellen zu können.
In einer ersten Implementierungsvariante (vergleiche
linkes Schema in Bild 4) fungiert der Wrapper als ein
transparenter Umsetzer der Variablen, ohne dass diese
für die Kommunikation zwischen Funktionsbaustein
und Gerät notwendig wäre. Der Vorteil ist, dass der
Steuerblock von außen betrachtet mit den Profilvariablen
arbeitet, das heißt andere Bausteine direkt auf diese
zugreifen können. Hierdurch ist der Einsatz jener standardisierten
Benutzeroberflächen (vergleiche Abschnitt
2.3) möglich, welche mit profilbasierten Variablen arbeiten.
Beim Funktionsbaustein und Motorcontroller
handelt es sich in diesem Fall um die bisherigen Bausteine
oder Geräte, welche ihre spezifischen Ein- und
Ausgangssignale (wie FB1 oder StatAct1) verwenden.
Die zweite Implementierungsvariante (siehe Bild 4,
mittleres Schema) lässt sich verwirklichen, wenn die
Motorsteuerung Variablen verarbeitet und liefert, die
mit einem definierten Profil kompatibel sind. Dann entfällt
die Umsetzung zwischen Gerät und Profilschicht.
Die Signalumsetzung zwischen bestehendem Funktionsblock
und profilbasierter Umgebung ist dabei weiterhin
erforderlich.
Ein ähnliches Ergebnis wird mit der dritten Implementierungsvariante
(vergleiche Bild 4, rechtes Schema) erreicht.
Bei dieser wird ein profilkompatibler Funktionsbaustein
verwendet, während die Motorsteuerung weiter
in ihrer klassischen Konfiguration arbeitet. Dabei entfällt
dann entsprechend die Umsetzung von profilbasiert auf
funktionsblockspezifisch, während die Umsetzung von
gerätespezifisch auf profilbasiert nach wie vor erforderlich
ist. Diese Variante ist insbesondere deswegen interessant,
weil sie es ermöglicht, die Geräte anderer Hersteller
einfach einzubinden.
5. NUTZUNG IM ENGINEERING
Müssen heute erst Hersteller und Typ des elektrischen
Geräts im Detail feststehen, können künftig die Arbeiten
an HMI und Steuerungsapplikation bereits früher beziehungsweise
auf Basis einer geräteunabhängigeren Applikationsschicht
beginnen. Dies verringert den Engineeringaufwand
und vereinfacht den Einsatz von Gerätesimulationstechniken
[3], etwa zur virtuellen Inbetriebnahme
elektrischer Geräte auf FAT-tauglichem Niveau.
Die vorgestellte Generalisierung könnte ein erster
praktischer Schritt in Richtung modellgestütztes Engineering
werden, da dessen größter Bremsklotz bisher in
der Individualität der Anbieter und Kundensegmente
liegt. Der Ablauf würde dann auf einer steten Verfeinerung
basieren, welche zunächst auf sehr abstraktem Level
die Grundfunktionen definiert und anschließend die
angelegten Teilkomponenten sukzessive und rekursiv
mit Eigenschaften und Detailverhalten befüllt.
Auf der Basis generalisierter Variablensätze wird es außerdem
möglich, in ähnlicher Weise generalisierte Faceplates
(Benutzeroberflächen) zu definieren. Dabei spielt es
keine Rolle mehr, für welches Gerät diese Benutzeroberfläche
tatsächlich zum Einsatz kommen wird, solange die
Startertypen von Faceplate und Motorsteuerung zusammen
passen. Somit kann das Engineering der Bedienergrafik
erfolgen, ohne den tatsächlichen Motorstarter bereits zu
kennen. Sobald der konkrete Startertyp bekannt ist, läßt
sich das Faceplate an die endgültige Situation anpassen.
Dynamisch ein- und ausgeblendete Dialoge und Anzeigen
machen dies möglich, setzen aber voraus, dass die Motorsteuerungen
sich eindeutig identifizieren. Ein vielversprechender
Ansatz in dieser Richtung ist in [4] dargestellt.
Die Standardisierung ermöglicht es auch, dass Tools
für den Funktionstest von Prozessleitsystemen (zum Beispiel
[5]) deutlich einfacher konfiguriert werden können
und ergibt in Kombination mit automatisierten Testabläufen
eine effiziente Herangehensweise, um die zum
Testen notwendigen Zeiten deutlich zu reduzieren und
gleichzeitig eine höhere Testabdeckung zu erreichen.
6. BEISPIELIMPLEMENTIERUNG
Ziel der in Bild 5 schematisch dargestellten Beispielimplementierung
ist es, eine Lösung zu schaffen, die sämtliche
Funktionen der bestehenden Funktionsbausteine
und Motorsteuerungen beibehält, und dennoch die neuen
profilbasierten Variablen und Kommunikationsparadigmen
umsetzt. Dabei wurde auf der Geräteseite der
Universal Motor Controller (UMC) der ABB Stotz AG und
der zugehörige Funktionsblock aus der ABB System
800xA Standard Library verwendet.
Oben links in Bild 5 werden die im zyklischen Abbild
(Status Word) des UMC vorhandenen Daten ins System
eingespeist und im Mapping in auf Profilkonformität
gebracht. Von dort aus werden sie an die mit SCP-gekennzeichnete
Datenschnittstelle weitergegeben, auf die
in der aktuellen Implementierung die neue Standard-
Bedienoberfläche zugreift. SCP steht dabei für Standard
Connectivity Profile und repräsentiert die von den Autoren
entwickelte ABB-interne Umsetzung des generalisierten
Variablenprofils. Parallel dazu werden die profilkonformen
Daten vom Mapping in zum Motorfunktionsbaustein
(MFB) weitergeleitet und mit jenen Eingängen
des MFBs verbunden, welche eine Entsprechung im
Profil haben. Der in Bild 5 quer über den Eingangspfeilen
verlaufende Balken signalisiert dabei, dass dies keine
1:1-Verbindung ist, sondern eine geeignete Zuordnung
auf Array-Variablen oder eine Umkodierung im Bitmuster
vorgenommen werden musste. Selbiges gilt für die
Ausgangsvariablen des bestehenden MFBs, welche vom
Mapping out wiederum in die vom UMC erwartete Form
(Command Word) gebracht werden. Diese Ausgangsdaten
werden auch an die SCP-Schnittstelle übermittelt, um
dort das komplette Variablenprofil vorliegen zu haben.
Eingangsdaten, die in ihrer heutigen Form nicht ins
Schema passen oder aber nicht im zyklischen Abbild
atp edition
9 / 2013
39

HAUPTBEITRAG
abgelegt sind, werden dem bestehenden Motorfunktionsbaustein
direkt zugeführt. Selbiges gilt in analoger Weise
für die Ausgangsseite (Nicht abbildbare Daten).
Der Testaufbau wurde primär genutzt, um die neuen
Möglichkeiten dynamischer Faceplates und der in Abschnitt
3 erörterten auf Klassifizierung und Gruppierung
beruhenden Alarmmechanismen zu demonstrieren. Insofern
wurde die für eine vollständige Umsetzung notwendige
Bidirektionaltiät der SCP-Schnittstelle nicht
implementiert, sondern die Bedienung auf Basis der bestehenden
HMI durchgeführt.
Die Experimente zeigten ferner, dass sich mit Hilfe der
neuen Architektur eine Motorsteuerung auch zu einem
späteren Zeitpunkt austauschen lässt, ohne dass der Code
der Funktionsbausteine oder des Faceplates umgeschrieben
werden muss. Ebenso ist es möglich, einen profilbasierten
Funktionsbaustein durch einen kundenspezifischen Baustein
zu ersetzen. Hierfür ist es lediglich erforderlich, die
Variablenzuordnung entsprechend anzupassen.
7. ALARME, DIAGNOSE UND MAINTENANCE
Neben der Profilbildung zur Motorsteuerung wird ebenfalls
die Profilbildung für die Diagnose elektrischer Geräte
betrachtet. Insgesamt wird dabei unterschieden, ob
sich ein Diagnosedatum auf Gerät, Equipment oder den
Prozess bezieht. Gerätediagnosen befassen sich mit Zuständen,
welche ursächlich im Gerät aufgetreten sind,
wie beispielsweise eine zu hohe Wicklungstemperatur
oder eine zu große Phasenverschiebung (cos φ). Equipmentdiagnosen
betrachten nachgeordnete, aber funktional
gekoppelte Geräte, wie zum Beispiel ein Leerlauf
bei einer von einem Motor angetriebenen Pumpe. Probleme
im physikalischen Umfeld des Prozesses, also beispielsweise
stockender Durchfluss, werden wiederum
getrennt ausgewertet. Die Herausforderung besteht darin,
diese Bereiche klar voneinander zu trennen und
Abhängigkeiten zu erkennen, vergleiche hierzu Bild 6.
Für das Eingreifen der Prozesssteuerung im Fehlerfall
genügt bereits wenig Diagnoseinformation im zyklischen
Prozessabbild. Um jedoch auch Anlagenfahrer und Wartungsexperten
entsprechend über Problemzustände zu
unterrichten, wird ein breites Spektrum an diagnostischer
Information als Alarme und Events (Ereignisse)
übertragen. Im Gegensatz zu Events sind Alarme vom
Nutzer zu bestätigen und bis zu dieser Bestätigung als
aktiv zu kennzeichnen. Die Ursachen für Alarme müssen
behoben werden, bevor ein Alarm aus der Alarmliste
entfernt werden kann. Während die Bedienern (Operator)
zur Verfügung gestellte Information die Aufgaben
Bedienung und Beobachtung mittels Faceplates
sowie
Alarmruf mittels Geräte- oder Equipmentevents
über die System-Event-Liste
abdeckt, müssen dem Wartungingenieur verschiedene
Alarmrufe zur Verfügung stehen:
Alarmruf mittels Geräte- oder Equipmentevents
über die System-Event-Liste,
BILD 6: Verschiedene
Alarmquellen: Prozess,
Equipment und Gerät
Device /
Gerät
Controller
Motorsteuerung
Feldkommunikation
Alarm-
Server
Prozessleitsystem
Faceplate Bedienoberfläche
Zyklische Daten Prozessalarme Diagnosealarme
Motor
Datenzugriff
( z.B. OPC)
Equipment
Pumpe
FI
Prozess
Controller
Controller IO
Alarmlogik
Motor-
Funktionsbaustein
Konfiguration
BILD 7: Zyklische (blaue Pfade) und azyklische (rote und
grüne) Datenpfade im System. Da in der GSD Prozessalarme
nicht explizit ausgewiesen werden können,
werden diese durch einen zusätzlichen Baustein erzeugt.
IO Gerätecontroller
Prozess
40
atp edition
9 / 2013

Alarmruf der Gerätezustandsüberwachung,
Alarmruf der auf Basis detaillierter Diagnosedaten
durchgeführten Rootcause-Analyse.
8. ALARMKLASSIFIZIERUNG
In diesem Beitrag liegt der Fokus auf den gerätebezogenen
Alarmen und Events und basiert hauptsächlich auf den von
Drivecom [6] vorgeschlagenen Alarmprofilen. Es wird die
Nutzung eines erweiterten Drivecom-Profils vorgeschlagen,
um alle kritischen Diagnosezustände abbilden zu können,
die ein Gerät liefert. Wie dort empfohlen, werden Alarme
zunächst nach ihrer physikalischen Herkunft klassifiziert,
also beispielsweise Strom-, Spannungs-, Temperatur- oder
Softwarefehler. Danach wird der Geräteteil benannt, in
dem der Fehler aufgetreten ist und anschließend dokumentiert,
welche Fehlfunktion sich eingestellt hat, wie Kurzschluss,
eine zu hohe Temperatur oder ein zu geringes
Drehmoment.
Darüber hinaus werden die azyklisch im Gerätemanagement
ausgelesenen Alarme zur Erzeugung des
NE 107 [15] Gesundheitsstatus des elektrischen Gerätes
mit verwendet, den der FDI-Standard [16] als Teil des
Geräteinformationsmodells vorsieht. Die Abbildung der
einzelnen Alarme – die jeweils einem Drivecom Fault
entsprechen – auf die Zustandsklassen der NE 107 wurde
anhand ausgewählter Beispiele demonstriert.
Wie Bild 7 zeigt, wird zwischen Diagnose- und Prozessalarmen
unterschieden. Bei Diagnosealarmen handelt es
sich primär um:
Kommunikationsprobleme inklusive dem Anschluss
beziehungsweise der Entfernung von Gerätemodulen,
Gerätediagnose, welche von dem erweiterten
Drivecom-Profil abgedeckt wird, sowie
Fehlermeldungen des Equipments.
Prozessalarme, gegebenenfalls mit Sequence-of-Events-
Profil, werden hingegen für Fehler verwendet, welche in
der – elektrisches Gerät und Equipment – einschließenden
Regelschleife auftreten.
Bild 7 zeigt außerdem die drei grundlegenden Informationspfade
vom Gerät zum Prozessleitsystem: Zyklische
Daten, azyklische Daten und Alarme. Die Aufgabe bei der
Weiterleitung der Alarme, welche als farbige Datenpfade
dargestellt werden, besteht darin, die oben erwähnten
Bezugspunkte der Alarme (Gerät, Equipment, Prozess) zu
dekodieren, die Alarminformation anzureichern und an
die relevanten Alarmempfänger weiterzuleiten.
Hinweis: Bei der Verwendung von Profinet IO findet
sich eine Abbildung von aktiven Channel-Alarmen auf
Parameterrecords. Hierdurch ist es möglich, den Alarmstatus
azyklisch auszulesen, womit sich Alarmlisten für
die Bediener standardmäßig mit Diagnoseinformation
des Gerätemanagements ausstatten lassen.
9. DATENPFADE
Die größte Herausforderung bei der Integration von aktuellen
Geräteparametern und Steuerungsdaten ergibt
sich aus der Frage, wie die jeweiligen Diagnosedaten vom
Servers/Clients
Prozessalarme
mit SoE
System-
Ereignisse
FDI-Diagnose-
Menü
FDI-Geräte-
Engineering
PLC-Engineering
(GSD)
Bediener-
Faceplate
Gruppenalarme
Controller
Prozessalarmweiterleitung
Channelalarmdekodierung
Parameter
Record Tunnel
Open-Loop Control
Profinet IO
Prozessalarme
Channel-
Alarme
Alarm ASE
Parameter
Record ASE
IO Data ASE
Gerät
Fehler der
Steuerung
Geräte- und
Equipmentzustand
Diagnose-Information
Geräteparameter
Status/Feedback/Trips
Befehle und
Set-Points
Elektrische Steuerfunktionen
BILD 8: Verteilung von Diagnoseinformationen (wie Fehler, Warnungen, Status) über Profinet IO.
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41

HAUPTBEITRAG
AUTOREN
Dr.-Ing. JÜRGEN GREIFEN EDER
(geb. 1975) ist seit 2008 Wissenschaftler
am ABB Forschungszentrum.
Er studierte Technische
Kybernetik in Stuttgart
und promovierte über formale
Antwortzeitanalyse netzbasierter
Automatisierungssysteme in
Kaiserslautern. Seine wissenschaftlichen
Schwerpunkte beziehen sich auf
Systemmodellierung und effizientes Engineering.
ABB AG Forschungszentrum,
Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,
Tel. +49 (0) 6203 71 62 22,
E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com
Dr. rer. nat. DIRK SCHULZ
(geb. 1976) ist seit 2006
Wissenschaftler am ABB
Forschungszentrum. Nach
einem Studium der Technischen
Information an der
Universität Mannheim,
promovierte er über Schutzverfahren
für Taktverteilung
in synchronen EVU-Weiterverkehrsnetzen.
Aktuell ist er ist als Principal Scientist im
Bereich Geräte- und Feldbusintegration tätig.
ABB AG Forschungszentrum,
Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,
Tel. +49 (0) 6203 71 62 74,
E-Mail: dirk.schulz@de.abb.com
Gerät zum jeweils interessierten Empfänger zu übertragen
sind (vergleiche Bild 8).
Unter Diagnosedaten wird dabei jene Information verstanden,
welche potenziell kritische Zustände des Prozesses,
Geräts oder Equipments beschreibt. Als Beispiel
seien die Spannungsniveaus L1,L2,L3 genannt. Diese
könnten Teil des zyklischen Abbildes sein und innerhalb
der IEC 61131-Applikation Verwendung finden. Sie lassen
sich aber auch azyklisch auslesen und in einem gerätespezifischen
FDI-Diagnosemenü [4] darstellen. In diesem
Fall löst ein Überstrom einen Channel-Alarm aus, der in
der System-Event-Liste angezeigt wird. Würde wegen dieses
Überstroms die zugehörige Regelung ausfallen oder
neustarten, wird ein mit Zeitstempel versehener Prozessalarm
den Bediener aufmerksam machen (durch Anzeige
des entsprechenden Eintrags in der Prozess alarmliste).
Dies bedeutet, dass die verschiedenen Datenpfade und
Empfänger ihre Information alle aufgrund desselben
physikalischen Ereignisses beziehungsweise des sich
daraus ergebenenden Messwertes beziehen. Wichtig ist
dabei insbesondere, dass Diagnosedaten in der Regel
nicht einen Sender und einen Empfänger haben, sondern
so ziemlich jeder Teilnehmer eines DCS immer sowohl
Empfänger als auch Weiterleiter von Diagnosedaten ist.
Die in diesem Architekturüberblick verwendeten Blöcke
stehen dabei stellvertretend für ein stereotypisches
DCS (distributed control system). Die Geräte und Server/Client-Seite
ist vollständig unabhängig von der zugrunde
liegenden Technologie. Auf der Geräteseite wäre
das Bild bei Verwendung von Profibus DP komplexer
wegen paralleler Nutzung der DPV0- und DPV1-Dienste.
Ein wichtiger Teilaspekt des vorgestellten Ansatzes ist es,
die Belastung des Bedieners durch die Einführung von
REFERENZEN
B.Sc PABLO RODRIGUEZ
(geb. 1980) ist seit 2010
Wissenschaftler am ABB
Forschungszentrum. Er
studierte Telecommunications
Engineering (Electronic
Systems) an der Escuela
Politécnica de Alcalá de
Henares Madrid. Nach seinem
Studium befasste er sich mit dem Engineering von
konventionellen und Solarkraftwerken, Schwerpunkte
System-Design, Steuerungs- und Regelungstechnik,
Prozesssimulation, Turbine/
Boiler-Kontrolle. Derzeit ist er als Scientist
im Bereich Engineering-Effizienz tätig.
ABB AG Forschungszentrum,
Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,
Tel. +49 (0) 6203 71 60 22,
E-Mail: pablo.rodriguez@de.abb.com
[1] IEC 61131-3: Programmable controllers - Part 3:
Programming languages, 2013.
[2] PNO: GSDML (GSD Markup Language). Technische
Spezifikation von PROFINET IO version 2.3, PNO Order No.:
2352, 2011
[3] Hoernicke, M., Greifeneder, J., Barth, M.: Effizientes
Testen heterogener Leitsystemkonfigurationen –
Integration gewerkeübergreifender Hardware-Emulatoren.
atp edition – Automatisierungstechnische Praxis 54(11),
S. 46-55, 2012
[4] Schulz, D, Greifeneder, J.: Eine Standardlösung für die
Integration elektrischer Geräte mit PROFINET IO
und FDI. In: Tagungsband Automation 2013, S. 377-380.
VDI-Verlag 2013
[5] Greifeneder, J., Weber, P., Barth, M., Fay, A.: Generierung
von Simulationsmodellen auf Basis von PLS-Engineering-
Systemen. atp edition – Automatisierungstechnische Praxis
54(4), S. 34-41, 2012
[6] DRIVECOM Nutzergruppe e.V.: DriveServer Spezifikation
V 1.1, http://www.drivecom.org
42
atp edition
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Gruppenalarmen (summary alarms) in Grenzen zu halten.
Hierdurch wird ermöglicht, dass Alarme mit gleicher
Quelle nur einmal weggeklickt werden müssen und
überall dieselbe Erläuterung aufweisen, unabhängig
davon über welchen Weg sie durch das System gelangt
sind. Für Fehler und Vorwarnungen wird lediglich jeweils
für Gerät, Equipment und Prozess ein gemeinsamer
Sammelalarm in die Alarmlisten des Systems geleitet.
Anstelle von knapp 100 theoretisch möglichen
Alarmen werden also maximal sechs sichtbar.
FAZIT
Der entwickelte Profilansatz erleichtert die Integration
der Funktions- und Diagnosedaten bestehender
elektrischer Geräte, reduziert den Engineeringaufwand
elektrischer Steueranwendungen und vereinfacht
die Anwendung modellgestützten Engineerings.
Einheitliche Bedienoberflächen und die Verwendung
von klassifizierten Gruppenalarmen ermöglichen es
dem Anlagenfahrer, einen aussagekräftigen, aber
schnell zu erfassenden Überblick über die Anlage zu
bekommen und dennoch jederzeit alle wichtigen Informationen
abrufen oder an den Wartungsingenieur
übergeben zu können. Die Verwendung einer geräteunabhängigen
Applikationsschicht vereinfacht
außerdem den Einsatz von Gerätesimulationstechniken
und erleichtert die Anwendung automatisierter
Testverfahren.
MANUSKRIPTEINGANG
17.05.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
[7] PNO: PROFIdrive Technology and Application – System
Description. PNO Order No.: 4.322 und 4.321, 2011
[8] PNO: Low Voltage Switchgear (LVSG),
PNO Order No.: 3.122, 2012
[9] PNO: PROFINET IO Clock Synchronization – Common
Application Profile for Sequence of Events,
PNO Order No.: 7.102, 2013
[10] IEC 62390: Common automation device – Profile guideline,
2005
[11] PLCopen: Function Blocks for Motion Control, TC2-1,
version 2.0, 2011
[12] IEC 61800-7: Generic interface and use of profiles for
power drive systems, 2007
[13] PNO: Diagnosis for PROFINET IO, Guideline for
PROFINET, draft in PI review, version 0.9, 2013
[14] IEC 61784 and IEC 61158 [family of standards including
PROFINET IO]
[15] NE 107: Selbstüberwachung und Diagnose von
Feldgeräten, 2006
[16] IEC 62769: Field Device Integration (FDI), 2013
Engineering von
Prozessleitsystemen
– so geht‘s
Das praxisorientierte Lehrbuch befasst sich mit der Einrichtung
von Prozessleitsystemen. Anhand einer experimentellen
Forschungsanlage werden die Herausforderungen hinsichtlich
Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit dargestellt. Auch
auf Modularisierung und virtuelle Inbetriebnahme von Anlagen
geht der Autor ein.
Hrsg.: Leon Urbas
1. Auflage 2014
ca. 300 Seiten, schwarz/weiß mit Schmuckfarbe, Hardcover
ISBN: 978-3-8356-3362-9
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Das Buch erscheint im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

HAUPTBEITRAG
Bewertung industrieller
Funklösungen
Standardtests und Performance-Klassen
Basierend auf repräsentativen Messungen in realen Umgebungen behandelt dieser Beitrag
geeignete Standardtestfälle zur einheitlichen Zeit- und Fehlerbewertung industrieller
Funklösungen mit Bezug auf ausgewählte Klassen industrieller Automatisierungsanwendungen.
Nach Auswahl relevanter Kenngrößen werden Performance-Klassen A, B, C mit
einer zusätzlichen Angabe der absoluten und zeitabhängigen Verfügbarkeit vorgeschlagen.
Damit ist es Herstellern und Anwendern möglich, für eine bestimmte Anwendungsklasse
eine optimale Funklösung zu entwickeln beziehungsweise auszuwählen.
SCHLAGWÖRTER Industrielle Funksysteme / Standardtests / Performance-Klassen /
Funkkanäle / Kanalemulator
Assessment of industrial wireless systems –
Standard tests and performance classes
Standard tests are presented for the uniform time and error assessment of industrial
wireless systems based on measurements in real environments. These standard tests
take different classes of industrial applications into account. After choosing relevant
performance parameters we propose the performance classes A, B, and C with additional
information concerning the total and time-dependent availability. This enables
manufacturers and customers to develop or select optimum wireless solutions for specific
application areas.
KEYWORDS wireless automation / standard tests / performance classes / radio channels /
channel emulator
44
atp edition
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UWE MEIER, Institut Init, Lemgo
LUTZ RAUCHHAUPT, Institut Ifak, Magdeburg
Seit etwa 15 Jahren werden Funklösungen für
industrielle Automatisierungsanwendungen
zunehmend eingesetzt. In dieser Zeit wurden
wesentliche Anforderungen an die Funkkommunikation
definiert sowie Gesichtspunkte der
Nutzung von Funklösungen (zum Beispiel Koexistenzmanagement)
erarbeitet und in Richtlinienblättern veröffentlicht
(zum Beispiel VDI/VDE-Richtlinie 2185 [1]).
Eine wesentliche Herausforderung besteht allerdings
noch darin, ein optimales Zeitverhalten mit minimaler
Fehlerrate zu geforderten Zeitpunkten zu garantieren.
Im Gegensatz zur kabelgebundenen Kommunikation ist
bei Funk der Übertragungskanal zeitvariant, frequenzselektiv
und einer externen Beeinflussung ausgesetzt. In
industriellen Umgebungen sind Mehrwegeausbreitung
und Bewegungseffekte dominant, aber es sind ebenso
parasitäre Maschinenemissionen und der Einfluss anderer
Funksysteme zu beachten. Aus Mangel an Kenntnis
der detaillierten Systemeigenschaften werden heute einige
Funksysteme nicht genutzt oder sogar prinzipiell
abgelehnt. Damit werden die mit der Funkkommunikation
verbundenen wirtschaftlichen Möglichkeiten nicht
ausgeschöpft. Es besteht daher ein dringender Bedarf an
Testverfahren, mit denen sich unterschiedliche Funklösungen
unter Berücksichtigung relevanter Einflüsse applikationsspezifisch
bezüglich des Zeit- und Fehlerverhaltens
bewerten lassen.
Dieser Beitrag stellt die wesentlichen Ergebnisse des
Forschungsvorhabens „Entwicklung von Standardtests
zur einheitlichen Bewertung industrieller Funklösungen“
(FITS) [2] vor. Ziel war es, geeignete Standardtestfälle
zur einheitlichen Zeit- und Fehlerbewertung industrieller
Funklösungen mit Bezug auf ausgewählte Klassen
industrieller Automatisierungsanwendungen bereitzustellen.
Hierbei wurden folgende thematische
Schwerpunkte adressiert:
Verbesserung der Produktbewertung
durch validierte Methoden und Modelle
Unterstützung des Qualitätsmanagements
durch systematisches Vorgehen
Verbesserung der Transparenz
durch einheitliche Verfahren
Unterstützung der Realisierung
zuverlässiger Funklösungen
Vermeidung von Fehlinvestitionen
Im Rahmen der Arbeiten wurden zunächst Kenngrößen
und statistische Parameter zur Zeit- und Fehlerbewertung
sowie relevante Einflussgrößen spezifiziert. Basierend
darauf sind Anwendungsprofile und dazu passende
Testfälle definiert worden. Fußend auf repräsentativen
Messungen in realen Umgebungen wurden für diese
Standardtests geeignete Modellbeschreibungen und
Testverfahren entwickelt und mit Validierungs- und Erprobungsmessungen
verifiziert. Exemplarische Ergebnisse
werden in diesem Beitrag vorgestellt. Abschließend
werden Performance-Klassen A, B, C mit einer zusätzlichen
Angabe der absoluten und zeitabhängigen Verfügbarkeit
vorgeschlagen.
1. KONZEPT
1.1 Betrachtungsraum
Als Ausgangspunkt für die Beschreibung der Standardtests
mit Bezug zu industriellen Automatisierungsanwendungen
wird der Betrachtungsraum beschrieben.
Bild 1 zeigt die Abstraktion einer industriellen Automatisierungsanwendung
mit verteilten und gegebenenfalls
mobilen Anlagenbestandteilen.
Die verteilten Anlagenbestandteile sind mit Funkgeräten
ausgerüstet, die ein Netzwerk bilden und somit
eine drahtlose Kommunikation über ein Funkmedium
ermöglichen. Konkrete Aussagen über die Art der Funkgeräte
beziehungsweise über das Funknetzwerk, das sie
bilden, werden nicht getroffen. Es wird lediglich festgestellt,
dass eine Schnittstelle zwischen den verteilten
Automatisierungskomponenten und den Funkgeräten
existiert und dass ein Funknetzwerk neben den Funkgeräten
auch Infrastrukturkomponenten beinhalten
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45

HAUPTBEITRAG
kann. Das Zeit- und Fehlerverhalten einer konkreten
Funklösung (Funkgerät oder Funknetzwerk) wird durch
Kenngrößen charakterisiert, deren Werte sich auf die
Schnittstelle zwischen Funkgerät und Anwendungskomponente
beziehen. Diese Festlegung ist nötig, um
eine anwendungsorientierte Bewertung der Funklösung
zu ermöglichen.
Das Konzept der Standardtests sieht vor, die industrielle
Automatisierungsanwendung durch ein definiertes
Verhalten und mit Hilfe standardisierter Einflussgrößen
und Einflussgrößenwerte abzubilden (siehe Bild 2). Das
geschieht durch eine Testanwendung, die standardisierte
Testfälle abarbeitet. Dazu werden in für den Testfall
definierten Intervallen Kommunikationsanforderungen
an der Anwendungsschnittstelle ausgelöst. Anschließend
werden die Ereignisse an den Anwendungsschnittstellen
genutzt, um die Kenngrößen zu ermitteln, die das
Zeit- und Fehlerverhalten des zu testenden Systems charakterisieren.
Die Eigenschaften des Übertragungskanals
werden ebenfalls mit standardisierten Größen und Wertebereichen
entsprechend den Standardtestfällen abgebildet.
Das geschieht mit Hilfe eines Kanalemulators.
Das zu testende System (system under test, SUT) beinhaltet
die zu testenden Funkgeräte (devices under
test, DUT) und gegebenenfalls weitere Infrastrukturkomponenten.
Es bedient die definierten Kommunikationsanforderungen
eines Testfalls und nutzt zur Übertragung
den für diesen Testfall spezifizierten Übertragungskanal.
Entsprechend dieses Ansatzes werden
Parameter definiert, um die Anforderungen an die
Funkkommunikation sowie die Bedingungen dafür
quantitativ beschreiben zu können. Damit lassen sich
Funklösungen einheitlich und unter reproduzierbaren
Bedingungen untersuchen.
1.2 Anforderungen und Einflussgrößen
Anwendungsbezogene Einflussgrößen auf die Funkkommunikation
werden verwendet, um die Kommunikationsanforderungen
einer Automatisierungsanwendung
zu formulieren. Des Weiteren bestimmen diese Einflussgrößen
gewisse Bedingungen, unter denen das Kommunikationsnetzwerk
die Anforderungen erfüllen soll.
Hierzu gehören:
Kommunikationsnetzwerk (Anzahl der Kommunikationsgeräte,
Anzahl logischer Verbindungen,
räumliche Ausdehnung, Security-Funktionalität)
Logische Kommunikationsverbindung (Endpunkte,
Abstand zwischen Kommunikationsgeräten,
Safety-Funktionalität)
Kommunikationsgerät (Position, Bewegung)
Kommunikationslast (Nutzdatenlänge, zyklisch
oder ereignisgesteuert, Sendezeitabstand)
Umgebungsbezogene Einflussgrößen beschreiben die
Bedingungen der Anwendungsumgebung. Dazu gehören
die Charakteristik des Einsatzbereiches, die natürlichen
Umgebungsbedingungen sowie der Einfluss von Frequenznutzern.
Dabei wird unterschieden zwischen Frequenznutzern
zur Funkkommunikation und anderen
Nutzungen elektromagnetischer Wellen, zum Beispiel
zur Trocknung von Werkstoffen oder zum Erhitzen.
Gerätespezifische Einflussgrößen der Funkgeräte und
Funknetzwerke beeinflussen deren Zeit- und Fehlerverhalten.
Beispielhaft seien genannt:
Funksystem (Funktechnologie, Topologie, Modulation,
Medienzugriffsverfahren, Datensicherungsverfahren,
...)
Frequenzband (Mittenfrequenz, Bandbreite)
Funkgerät (Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit,
Antennenanzahl, ...)
Antennen (Richtdiagramm, Gewinn, Polarisation, ...)
In erster Linie müssen die Funkgeräte und Funknetzwerke
den Anforderungen und Bedingungen der automatisierungstechnischen
Anwendung entsprechen.
Das trifft beispielsweise auf den Abstand der Funkgeräte
zu, auf die Umgebungsbedingungen oder auf die
Bewegungseigenschaften bei mobilen oder beweglichen
Anlagenteilen. Bezüglich der Funktechnologie,
des Funkstandards beziehungsweise der konkreten
Funkgeräte bestehen oft mehrere Optionen. Mit der
Entscheidung diesbezüglich werden die möglichen
Topologien festgelegt.
2. ANWENDUNGSPROFILE UND STANDARDTESTFÄLLE
Ein Anwendungsprofil beschreibt die Anforderungen einer
Applikation an die Kommunikation. Da industrielle
Anwendungen sehr unterschiedlich sind, haben unterschiedliche
drahtlose Lösungen ihre Daseinsberechtigung.
Aus diesem Grund müssen Standardtestfälle die Anforderungen
der industriellen Anwendungen berücksichtigen.
Die erste allgemeine Analyse von Anforderungen an
die industrielle Funkkommunikation wurde in der
VDI/VDE-Richtlinie 2185 [1] veröffentlicht. In dieser
Richtlinie werden Automatisierungsfelder wie Fabrikund
Prozessautomation berücksichtigt. Die ISA 100
definiert fünf Anwendungsklassen [3], die im Grunde
für alle in der VDI/VDE-Richtlinie aufgelisteten Automationsbranchen
relevant sind. Allerdings existiert
neben der Beschreibung, was Sicherheit, Regelung oder
Monitoring bedeutet, keine quantitative Definition. Deshalb
sind keine Testfälle von diesen Definitionen ableitbar.
Die Namur-Empfehlung 124 [4] definiert drei Anwendungsklassen
für die Prozessautomation, aber wiederum
ohne quantitative Angaben. Des Weiteren wurden
in der Profibus-Nutzerorganisation Anforderungen
speziell für die Fertigungsautomation zur Spezifikation
eines Wireless-Sensor-Aktornetzwerkes (WSAN) zusammengetragen
[5].
Im Projekt FITS wurde ein Ansatz entwickelt, welcher
die genannten Dokumente berücksichtigt sowie die Erfahrungen
aus der aktiven Mitarbeit in entsprechenden
Gremien und Normungsorganisationen. Tabelle 1 zeigt
die ausgewählten fünf Anwendungsprofile und spezifi-
46
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BILD 1: Abstraktion des Betrachtungsraums
BILD 2: Konzept für Standardtests von
Funklösungen für die industrielle Automation
Einflussgröße
(anwendungsbezogen)
Maschine
Fabrikhalle
Prozessanlage
(Indoor)
Prozessanlage
(Outdoor)
Anzahl an Kommunikationsgeräten 16 50 100 100 2
Räumliche Ausdehnung des
Kommunikationssystems (L x B x H)
Abstand zwischen den
Kommunikationsgeräten
5 m x 5 m
x 5 m
100 m x 25 m
x 10 m
100 m x 25 m
x 15 m
500 m x 500 m
x 15 m
Spezielle
Applikation
(Fahrstuhl)
3 m x 3 m
x 25 m
10 m 100 m 100 m 700 m 25 m
Bewegung der Kommunikationsgeräte 0 m/s, 5 m/s 1,5 m/s 0 0 2,5 m/s
Nutzdatenlänge 2 Oktett 64 Oktett 20 Oktett 20 Oktett 2 Oktett
Initiierung der Datenübertragung periodisch periodisch periodisch periodisch periodisch
Sendezeitabstand 100 ms 250 ms 4 s 4 s 50 ms
Sichtkontakt NLOS NLOS NLOS, OLOS NLOS, OLOS OLOS
Andere Funkkommunikationssysteme WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN
Medienbelegung
(benachbarter Kanal)
1518 Oktett /
1,8 ms
1518 Oktett /
1,8 ms
1518 Oktett /
1,8 ms
1518 Oktett /
1,8 ms
1518 Oktett /
1,8 ms
Einsatzbereich Indoor Indoor Indoor Outdoor Indoor
TABELLE 1: Anwendungsprofile (non-/obstructed line of sight, NLOS/OLOS)
ziert deren relevante Einflussgrößenwerte beziehungsweise
Bedingungen. Bei den Werten handelt es sich um
zweckmäßige Festlegungen, die aus den Diskussionen
in Arbeitskreisen der GMA, PNO, ZVEI sowie im projektbegleitenden
Arbeitskreis abgeleitet wurden.
Ausgehend von den Festlegungen der Anwendungsprofile
wurden vier Testreihen mit je zwei bis fünf Standardtestfällen
abgeleitet. Welchen Testfällen eine Funklösung
unterzogen werden soll, hängt von den ins Auge
gefassten Anwendungsprofilen ab. Den Anwender werden
in der Regel nur die Ergebnisse des für den Zielmarkt
relevanten Anwendungsprofils interessieren. Somit ist
nicht für jedes Produkt die Durchführung aller Testreihen
erforderlich.
3. KENNGRÖSSEN
Im Gegensatz zu Einflussgrößen, die Anforderungen
und Bedingungen für die zu testende Funklösung be-
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HAUPTBEITRAG
schreiben, werden messtechnisch zu bestimmende
Kenngrößen verwendet, um die Performance der Funklösung
zu bewerten. Hierbei gilt es aus Gründen der
Effektivität, möglichst wenige generische Kenngrößen
auszuwählen. Dabei ist darauf zu achten, dass die ausgewählten
Kenngrößen das System bezüglich Verfügbarkeit
und Echtzeitfähigkeit nach wie vor eindeutig
charakterisieren.
Zunächst werden primäre Kenngrößen definiert:
Die Übertragungszeit (transmission time, t TT ) gibt
an, wie lange die Übertragung eines Nutzdatums
vom Producer (zum Beispiel ein Sensor) bis zum
Consumer (zum Beispiel eine Steuerung) dauert. Es
ist der Zeitabschnitt von der Übergabe des ersten
Bestandteils der Nutzdaten (Bit oder Oktett) an der
Schnittstelle zwischen Anwendung und Funkkommunikation
eines Producers bis zur Übergabe des
letzten Bestandteils derselben Nutzdaten an der
Schnittstelle zwischen Funkkommunikation und
Anwendung eines Consumers (Bild 3). Diese Kenngröße
berücksichtigt beispielsweise die bitratenabhängige
Sende- und Empfangszeit (t TX , t RX ) und die
Zeit für Telegrammwiederholungen im Fehlerfall.
Die Aktualisierungszeit (update time, t UT ) entspricht
im Idealfall dem Sendezeitintervall t TI (Bild 3). Das
heißt, die übertragenen Nutzdaten werden an der
Anwendungsschnittstelle des Consumers in denselben
zeitlichen Abständen übernommen, wie sie
an der Anwendungsschnittstelle des Producers
übergeben wurden. Die Aktualisierungszeit ist definiert
als der Zeitabschnitt von der Übergabe des
letzten Bestandteils der Nutzdaten eines Producers
an der Anwendungsschnittstelle eines Consumers
bis zur Übergabe des letzten Bestandteils der unmittelbar
nachfolgend übertragenen Nutzdaten vom
gleichen Producer. Die Aktualisierungszeit ist besonders
für die Bewertung der Echtzeitfähigkeit
von Anwendungen mit periodischem Kommunikationsbedarf
geeignet.
Anzahl verlorener Pakete N PL : Ein Paket gilt als
verloren, wenn ein an der Anwendungsschnittstelle
des Producers übergebenes Paket nicht an der
Anwendungsschnittstelle des Consumers übergeben
wird. Zusätzlich gilt ein empfangenes Paket
auch dann als verloren, wenn dessen Übertragungszeit
größer als ein Maximalwert ist. Außerdem wird
bei Paketvertauschungen das verspätete Paket als
BILD 3: Definition zeitlicher Kenngrößen
zur Bewertung von Funklösungen
BILD 5: Schematischer Aufbau des Emulators
BILD 4: Beispiel eines zeit- und frequenzselektiven
Übertragungs faktors H(f,t) als
Spektrogramm. Dargestellt ist der
Betrag des Übertragungsfaktors von
-65 ... -40 dB im Frequenzbereich 2,42 ...
2,46 GHz über einen Zeitraum von 10 s.
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Wissenschaftlich
fundierte Beiträge zur
Anlagensicherheit
Safety in der Praxis
Die Automatisierungstechnik wird durch neue Forschungen und Entwicklungen
bestimmt. Damit Ingenieure fit für ihren Job sind und die aktuellen Trends in der
Automatisierungstechnik schnell und praktisch zur Hand haben, hat die Zeitschrift
„atp edition – Automatisierungstechnische Praxis“ die Buchreihe „atp kompakt“
etabliert. Daraus erscheint der mittlerweile sechste Band: „Safety in der Praxis“.
Hrsg.: Leon Urbas
1. Auflage 2014
112 Seiten, farbig, Broschur
ISBN: 978-3-8356-7115-7
Preis: € 59,–
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Safety in der Praxis
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Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

HAUPTBEITRAG
Verlust gewertet, selbst wenn es den Maximalwert
noch nicht überschritten hat.
Aus den primären Kenngrößen werden zwei sekundäre
Kenngrößen abgeleitet:
Die Verfügbarkeit (availability, A) ist ein Maß für die
Fähigkeit, während eines gegebenen Zeitintervalls
eine geforderte Funktion zu erfüllen. Angewandt auf
die Funktion einer Funklösung ist die Verfügbarkeit
das Verhältnis der Zeit der fehlerfreien Datenübertragung
(uptime, t U ) zu einem Betrachtungszeitraum
(observation time, t O ). Werden während des Betrachtungszeitraums
insgesamt N TX Telegramme gesendet
und N RX Telegramme davon korrekt empfangen, so
kann deren Verhältnis für die Bestimmung der Verfügbarkeit
verwendet werden.
A = t U
t O
N RX
N TX
= (1)
Ist der Betrachtungszeitraum t O kleiner als die gesamte
Messzeit t M , so ergibt sich mit ∆N TX und ∆N RX
als den im Betrachtungszeitraum gesendeten und
empfangenen Telegrammen eine zeitabhängige Verfügbarkeit:
a(t) = ∆N RX
∆N TX
(2)
Bei einem zu langen Betrachtungszeitraum lassen
sich gehäufte Paketverluste und damit zeitlich begrenzte
Einbrüche der Verfügbarkeit nicht erkennen.
Für die Bestimmung der zeitabhängigen Verfügbarkeit
nach Gleichung (2) sollte daher der Betrachtungszeitraum
aus dem Sendezeitintervall t TI abgeleitet
werden.
t O = 10 ∙ t TI (3)
ist eine zu empfehlende Größe.
Oft wird statt der Verfügbarkeit die Paketverlustrate
(packet loss rate, PLR) zur Bewertung eines Kommunikationssystems
herangezogen:
N
PLR = PL N
= TX − N RX
= 1 − A(4)
N TX N TX
plr(t) =
∆N PL
∆N TX
= 1 − a(t) (5)
4. MODELLIERUNG INDUSTRIELLER FUNKKANÄLE
Die geeignete Modellierung industrieller Funkkanäle
ist ein notwendiger Bestandteil des entwickelten Messverfahrens.
Messungen in realen Umgebungen sind sehr
aufwendig und dadurch kostspielig, nicht reproduzierbar
und wegen eines laufenden Produktionsprozesses
ist der Zugang zu dieser Umgebung oft nicht möglich.
Eine geeignete Funkkanalemulation vermeidet diese
BILD 6: Exemplarischer Aufbau des Testsystems.
Oben: PC-Steuerung; Mitte von links: Multiface,
optionaler Spektrumanalysator, Vektor-Signalgenerator,
Multiface; unten von links: Testbox
mit DUT, Kanalemulator, Testbox mit DUT
Probleme. Erst damit wird eine Vergleichbarkeit getesteter
Funklösungen unterschiedlicher Standards und
Hersteller ermöglicht.
4.1 Vermessung industrieller Funkkanäle
Die vorbereitende Arbeit für die Modellierung der
Funkkanäle war die Analyse der relevanten HF-Übertragungsbedingungen
für die spezifizierten Anwendungsklassen.
Vor jeder Messung wurde die jeweilige
Umgebung mittels der festgelegten Einflussgrößen beschrieben.
Anschließend wurden HF-Messungen in
der realen Umgebung durchgeführt. Für die Charakterisierung
eines Funkkanals wird zweckmäßig der
komplexe Übertragungsfaktor H(f) verwendet. Er ist
identisch mit dem Streuparameter s 21 , der zum Beispiel
mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator ermittelt
werden kann. Der Übertragungsfaktor wird
durch Mehrwegeausbreitung frequenzabhängig und
durch Bewegungseffekte zeitabhängig. Bild 4 zeigt ein
Beispiel, bei dem der Funksender an einem Roboterarm
platziert wurde.
Die wichtigsten statistischen Kenngrößen des durch
Mehrwegeausbreitung verursachten frequenzabhängigen
Übertragungsfaktors H(f) sind der Medianwert H Median und
die Schwankungshöhe ∆H 1090 . Der Median ist im Gegensatz
zum Mittelwert robust gegenüber einzelnen Ausreißern.
Die Schwankungshöhe ∆H 1090 bezeichnet den Be-
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TABELLE 2: Gerätespezifische Einflussgrößen (Auszug aus der Testspezifikation)
Funksystem Wisa Base Station/Client Bluetooth Master/Slave
Modulation GFSK, FHSS GFSK, FHSS
Bitrate der physikalischen Verbindung 1 MBit/s 1 MBit/s
Medienzugriffsmechanismus FH, FDD, TDMA FH, TDMA
Adaptivität keine Adaptive Frequency Hopping (AFH)
Sendeleistung 10 dBm / 0 dBm 20 dBm
Empfängerempfindlichkeit -90 dBm / -72 dBm < -70 dBm
Duty cycle 100 % / 0,32 %
Sendezeit
Pausenzeit
2,048 ms / 0,128 ms
0 / 39,872 ms
Anzahl genutzter Frequenzkanäle 77 79
Management: 11,2 %
Data: 0,41 %
Management: 0,21 ms / 0,21 ms
Data: 0,41 ms
Management: 3,75 ms / 3,75 ms
Data: 100 ms
Mittenfrequenz 2403 MHz + n*1 MHz; n=0,....,76 2402 MHz + n*1 MHz; n=0,....,78
Bandbreite je Kanal 1 MHz 1 MHz
reich, in dem ausgehend vom Median 80 % aller Werte
liegen. Durch eine inverse Fourier-Transformation wird
∞
H(t) = ∫ –∞ H( f ) ∙ e πft d f(6)
bestimmt, womit sich das Impulsverhalten erkennen
lässt. Dessen wichtigste Kenngröße ist die effektive Verbreiterung
(delay spread) t RMS als Maß für das Abklingverhalten.
Diese Kenngröße korreliert mit der Kohärenzbandbreite
B C als Maß für die Breite der frequenzabhängigen
Schwankungen. Zusammengefasst gibt es somit
drei unabhängige charakteristische Kenngrößen für den
frequenzabhängigen Übertragungsfaktor.
Die entsprechenden drei unabhängigen statistischen Größen
existieren auch für den durch Bewegungseffekte hervorgerufenen
zeitabhängigen Übertragungsfaktor H(t): Medianwert
H Median und Schwankungshöhe ∆H 1090 . Durch eine
Fourier-Transformation erhält man das Doppler-Spektrum
∞
H(ν) = ∫ –∞ H(t) ∙ e –j2t νt d t(7)
Dessen wichtigste Kenngröße ist die effektive Verbreiterung
(Doppler spread) B D , welche mit der Kohärenzzeit
T C als Maß für die Breite der zeitabhängigen Schwankungen
korreliert ist.
Aus der statistischen Kenngröße H Median des Funkkanals
und den gerätespezifischen Einflussgrößen Sendeleistung
P S und Empfängerempfindlichkeit MDS der
Funkgeräte lässt sich mit
M dB = P S,dBm + H Median, dB – MDS dBm (8)
die Verbindungsreserve M (link margin) angeben. Beispielsweise
ergibt sich für die Sendeleistung 20 dBm mit
-80 dB mittlerem Übertragungsfaktor und einer Empfängerempfindlichkeit
-90 dBm die Verbindungsreserve
30 dB. Die mittlere Empfangsleistung liegt somit 30 dB
oberhalb der Empfängerempfindlichkeit. Dies ist eine
sehr gute Funkverbindung.
Zusätzlich zum Funkkanal müssen für jede Umgebung
die Störemissionen erfasst werden. Hierfür wird das
Emissionsspektrum mit einem echtzeitfähigen
Spektrum analysator und einer isotropen Antenne zeitund
frequenzvariant vermessen. Näheres zu den Messverfahren
findet sich in [6, 7].
4.2 Emulation industrieller Funkkanäle
Ein häufig angewendetes Realisierungsprinzip von
Kanalemulatoren verwendet diskrete Signalprozessoren
(DSP) oder programmierbare Logikschaltungen
(FPGA). Leider ist dies jedoch nicht im GHz-Bereich
möglich. Daher muss das Eingangssignal zunächst
in einen niederfrequenten Bereich heruntergemischt
und anschließend digitalisiert werden. In dieser niederfrequenten
digitalen Ebene wird die eigentliche
Emulation des Funkkanals ausgeführt. Anschließend
wird wiederum zunächst ein analoges Signal
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HAUPTBEITRAG
erzeugt und in den ursprünglichen Frequenzbereich
hochgemischt. Dieses Verfahren hat mehrere Einschränkungen:
Es kann nur ein begrenzter Frequenzbereich umgesetzt
werden. Typisch sind 20 oder 40 MHz in einem
festgelegten Frequenzbereich.
Das Prinzip funktioniert nur in einer Übertragungsrichtung.
Um die physikalisch erforderliche Übertragungssymmetrie
zu erreichen, sind die Signalverarbeitungsketten
für Hin- und Rückrichtung getrennt
auszuführen. Der reale Signalweg muss also
künstlich in zwei getrennte Richtungen aufgeteilt
werden.
Ein reales Funksignal durchläuft einen derartigen
Emulator niemals in derselben Form wie den realen
Funkkanal, weil es durch elektronische Maßnahmen
verändert wird. Damit ergeben sich systembedingt
Nachteile bezüglich der Echtzeitfähigkeit und
eines begrenzten Datendurchsatzes.
Aus diesen Gründen wird im Beitrag ein anderer Ansatz
ohne Frequenzumsetzung und AD-Konversion verfolgt.
Es findet eine direkte breitbandige Emulation im realen
Frequenzbereich statt. Bild 5 zeigt das Prinzip. Der Aufbau
des Emulators erfolgt mit Signalteilern (gelbe Markierung),
programmierbaren Dämpfungsgliedern (grüne
Markierung) und Leitungen zur Laufzeitverzögerung
(rote Markierung).
Durch die begrenzte Anzahl der internen Ausbreitungspfade
kann keine exakte Nachbildung beliebiger
frequenzselektiver Übertragungsfunktionen erreicht
werden. Doch es hat sich gezeigt, dass reale industrielle
Funkkanäle ausreichend genau nachgebildet werden
können. Um auch zeitlich schnell veränderliche Kanäle
nachzubilden, wird der Emulator von einem echtzeitfähigen
Industrie-PC gesteuert. Die zeitliche Auflösung
liegt bei 1 ms. Dies bedeutet, dass pro Sekunde 1 000
verschiedene frequenzabhängige Übertragungsfaktoren
emuliert werden können. Dies hat sich für industrielle
Funkkanäle als ausreichend herausgestellt. Details zur
Generierung und Validierung der Kanalmodelle sind in
[2, 6] angegeben.
5. TESTSYSTEM
Basierend auf den theoretischen Vorarbeiten und der Entwicklung
relevanter Standardtestfälle zur einheitlichen
Zeit- und Fehlerbewertung industrieller Funklösungen
wurden eine Methodik und ein System zur Durchführung
dieser Testfälle erarbeitet. Hierzu wurden zunächst
die Anforderungen an ein solches Testsystem zusammengetragen.
Dabei handelt es sich in erster Linie um die
BILD 7: Gemessene
Übertragungszeit.
Links: reale Umgebung;
rechts: Emulation
BILD 8: Gemessene
Aktualisierungszeit.
Links: reale Umgebung;
rechts: Emulation
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Umsetzung der in den Anwendungsprofilen beschriebenen
Anwendungsanforderungen, den zu erwartenden
Umgebungsbedingungen und den Geräte- und Systemeigenschaften
der Funklösungen. Eine exemplarische Umsetzung
des Standardtestsystems ist in Bild 6 dargestellt.
Die Anwendungsanforderungen werden durch die in
Bild 2 gezeigte Standardtestanwendung umgesetzt. Dabei
handelt es sich um eine PC-Software und um verteilte
Testkomponenten. Mit der PC-Software werden
Testprojekte verwaltet, Testfälle ausgewählt, das Testsystem
entsprechend konfiguriert, die Testdurchführung
gesteuert, der Testablauf dokumentiert und aus
den Messergebnissen ein Testzertifikat generiert. Zur
echtzeitgerechten Generierung der Testtelegramme und
zur Ermittlung der Kenngrößenwerte lassen sich verschiedene
Geräte einsetzen. Für Funkgeräte mit Ethernet-Schnittstelle
bietet sich der Einsatz eines kommerziellen
Analysegeräts (data quality analyser) an. Bei
Funkgeräten mit IO-Schnittstelle können zur Generierung
des Datenverkehrs Funktionsgeneratoren verwendet
werden. Für die Generierung und Vermessung von
Testtelegrammen von Funkgeräten mit digitalen IOoder
seriellen Schnittstellen (RS232, SPI und andere)
eignet sich ein spezielles Geräte, das Multiface [8].
Die Anforderungen der Umgebung werden durch das
in Bild 2 dargestellte Standardtestmedium umgesetzt.
Dazu gehören ein Kanalemulator, geschirmte Testboxen
und Geräte zur Emulation anderer Frequenznutzer,
das heißt Störer. Um äußere Einflüsse auszuschließen,
werden die zu testenden Geräte in den abgeschirmten
Testboxen untergebracht. Diese sind durch Koaxialleitungen
mit dem Kanalemulator verbunden. Der Kanalemulator
wird entsprechend des gewählten Testfalls
mit einem der im Abschnitt 4 beschriebenen Modelle
industrieller Funkkanäle konfiguriert. Zur Emulation
anderer Frequenznutzer kommen entweder ein Vektor-
Signalgenerator zum Einsatz oder reale Funkgeräte. Mit
dem Signalgenerator können deterministische und reproduzierbare
Störszenarien emuliert werden. Für
Funkgeräte sprechen ein realistischer Mediumszugriff
des Störsystems und damit eine realistische Wechselwirkung
zwischen dem zu testenden System und dem
Störer sowie geringere Anschaffungskosten. Dabei
wurden auch Szenarien betrachtet, bei denen eine reale
Funklösung zur dauerhaften Versendung von Telegrammen
mindestens zwei Funkgeräte benötigt.
Zur Berücksichtigung der Geräte und Systemeigenschaften
der Funklösungen wurden verschiedene Szenarien
untersucht. Die am häufigsten vorkommenden
Anwendungsschnittstellen wurden durch die Auswahl
und Gestaltung der verteilten Testkomponenten berücksichtigt.
Durch die geschirmten Testboxen können Funkgeräte
mit externem Antennenanschluss und Funkgeräte
mit interner, zum Beispiel PCB-Antenne, getestet wer-
BILD 9: Gemessene
Übertragungszeit.
Links: reale Umgebung;
rechts: Emulation
BILD 10: Gemessene
Aktualisierungszeit.
Links: reale Umgebung;
rechts: Emulation
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9 / 2013
53

HAUPTBEITRAG
den. Es sind Testszenarien für zu testende Funklösungen
mit einem oder mehreren Geräten sowie mit Infrastrukturkomponente
(zum Beispiel Basisstation) betrachtet
worden. Alle Geräte des Testsystems sind über Ethernet
miteinander verbunden und werden von der Standardtestanwendung
konfiguriert und gesteuert. Im Rahmen
des Forschungsvorhabens wurde der Demonstrator eines
Testsystems realisiert, mit dem dann Validierungstests
durchgeführt werden konnten. Ergebnisse dieser Validierungstests
werden nachfolgend beschrieben.
6. EXEMPLARISCHE TESTERGEBNISSE
Um einen Eindruck typischer Messergebnisse zu vermitteln,
werden exemplarisch Testergebnisse der Anwendungsprofile
Maschine und Fabrikhalle mit den Funksystemem
Wisa und Bluetooth vorgestellt. Tabelle 2 zeigt
einige gerätespezifische Einflussgrößen. Es handelt sich
jeweils um kommerzielle Standardprodukte.
6.1 Anwendungsprofil Maschine – Wisa
Die Messungen in realer Umgebung wurden in der Werkzeugproduktion
eines Automatisierungsunternehmens
durchgeführt. Dieses Testszenario entspricht den Bedingungen
in einer typischen industriellen Fertigungszelle.
Die Entfernung zwischen Producer und Consumer betrug
7,5 m bei gestörter Sichtverbindung. Als Funksystem
wurde Wisa (Tabelle 2) verwendet. Die Verbindungsreserve
betrug M = 31 dB. Somit handelt es sich um eine
ausgezeichnete Funkverbindung. Die Bilder 7 und 8 zeigen
die Histogramme der gemessenen Übertragungs- und
Aktualisierungszeit ohne Störer. In beiden Fällen liegt
eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen den
Ergebnissen der realen Umgebung und der emulierten
Laborumgebung vor. Paketverluste traten nicht auf; die
Verfügbarkeit war 100 %.
6.2 Anwendungsprofil Fabrikhalle – Bluetooth
Die Messungen in realer Umgebung wurden in einer Fertigungshalle
eines Automatisierungsunternehmens
durchgeführt. Die Entfernung zwischen Producer und
Consumer betrug 72 m bei gestörter Sichtverbindung.
Dieses Testszenario spiegelt die Bedingungen in einer
typischen Fertigungshalle wider.
Als Funksystem wurde Bluetooth (Tabelle 2) verwendet.
Die Verbindungsreserve betrug lediglich M = 6 dB.
Somit handelt es sich um eine kritische Funkverbindung
an der Grenze der Systemempfindlichkeit. Die
Bilder 9 und 10 zeigen die Histogramme der gemessenen
Übertragungs- und Aktualisierungszeit ohne Störer.
Auch hier liegt in beiden Fällen eine sehr gute Übereinstimmung
zwischen den Ergebnissen der realen Umgebung
und der emulierten Laborumgebung vor. Es traten
keine Paketverluste auf, sodass die Verfügbarkeit erneut
100 % war.
7. PERFORMANCE-KLASSEN
Nach der Definition von Anwendungsprofilen und der
Herleitung von Standardtestfällen ist es für einen einfacheren
Vergleich drahtloser Funklösungen sinnvoll,
Performance-Klassen einzuführen. Hierzu werden drei
Performance-Klassen zur Bewertung des Zeitverhaltens
definiert (Bild 11):
Klasse A: Die Anforderungen der Anwendung
werden erfüllt.
Klasse B: Die Anforderungen der Anwendung
werden mit akzeptabler Toleranz erfüllt.
Klasse C: Die Anforderungen der Anwendung
werden nicht erfüllt.
Zur Festlegung der Klassengrenzen sind die Einflussgrößen
der Anwendungsprofile zu berücksichtigen. Als
Klassengrenze t A wird die maximale Übertragungszeit
je Verbindung definiert:
t A = t TI
n LL
(9)
Hierbei bezeichnet n LL die Anzahl der logischen Verbindungen
innerhalb des Netzwerks und t TI das anwendungsbezogene
Sendezeitintervall. Die Klassengrenze
t B wird mit
t B = 2 ∙ t A (10)
aus t A abgeleitet, wobei der Faktor 2 eine akzeptable Toleranz
berücksichtigt, die sich im Verlauf der Untersuchungen
als sinnvoll erwiesen hat.
Um nun eine Funklösung einer Performance-Klasse
zuweisen zu können, werden die in den Standardtests
ermittelten Kenngrößenwerte Übertragungs- und Aktualisierungszeit
(t TT , t UT ) verwendet. Als statistische
Kennwerte dieser Kenngrößen werden der Perzentil-
95-Wert der Übertragungszeit t TT,95 und die Standardabweichung
der Aktualisierungszeit t UT,SD herangezogen.
Die Verwendung dieser statistischen Kenngrößen ist
sinnvoll, weil dadurch einzelne Ausreißer der Messergebnisse
nicht ins Gewicht fallen. Die Verwendung der
maximalen Übertragungszeit (siehe zum Beispiel
Bild 9) würde zu sehr starken Bewertungsschwankungen
führen.
Die Summe der beiden Kenngrößen t TT,95 und t UT,SD wird
nun bezüglich der Klassengrenze bewertet:
Klasse A: t TT,95 + t UT,SD ≤ t A (11)
Klasse B: t A < t TT,95 + t UT,SD ≤ t B (12)
Klasse C: t B < t TT,95 + t UT,SD (13)
Als Beispiel sind die sich daraus ergebenden Performance-Klassen-Grenzen
der einzelnen Applikationsprofile
in Tabelle 3 aufgelistet.
Als Ergebnis zeigt Tabelle 4 beispielhaft eine Übersicht
über Testergebnisse für verschiedene Funklösungen und
54
atp edition
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BILD 11:
Performance-
Klassen
Maschine Fabrikhalle Prozessanlage
Spezielle
Applikation
Anzahl logischer Verbindungen 16 50 100 1
Sendezeitabstand / ms 100 250 4000 50
Klassengrenze A / ms 6,25 5 40 50
Klassengrenze B / ms 12,5 10 80 100
TABELLE 3:
Performance-
Klassen-Grenzen
der einzelnen
Applikationsprofile
Standard
TG name
Standard
TC name
TT UT Performance class
Mode P95 Mean SD Symbol Time Availability
Machine Standard 35,7 45,9 100,4 16,9 Ð 62,8 C 99,52%
Machine Interferer 15,8 18,9 40,0 3,4 Ð 5,6 A 100,00%
Factory hall Standard 10,2 12,8 32,0 1,6 Ð 14,4 C 100,00%
Factory hall Standard 0,3 2,4 31,9 2,1 P 4,5 A 99,96%
Factory hall Interferer 0,3 2,5 33,0 6,0 ! 8,5 B 97,92%
Factory hall Standard 0,4 0,6 32,0 0,3 P 0,9 A 100,00%
Factory hall Interferer 0,6 4,2 32,2 6,7 Ð 10,9 C 99,53%
Factory hall Interferer 0,5 3,6 32,0 5,0 ! 8,6 B 99,94%
Process plant Indoor - Movement 23,2 25,0 50,2 4,8 P 29,8 A 99,96%
Process plant Indoor - Movement 22,6 24,7 53,5 124,5 Ð 149,2 C 96,01%
Special Standard 0,4 0,5 10,0 0,2 P 0,6 A 100,00%
Special Standard 10,7 28,1 50,0 11,5 P 39,6 A 100,00%
TABELLE 4: Exemplarische Beispiele für Performance-Klassen und Verfügbarkeit
ausgewählte Testfälle. Im Vordergrund steht hier der
Vorschlag für die Ermittlung und Darstellung der Performance-Klasse
einer Funklösung. In der Tabelle sind
zunächst die statistischen Kennwerte der Kenngrößen
Übertragungszeit und Aktualisierungszeit aufgeführt.
In der Spalte Time wird die Summe aus Perzentil-
95-Wert der Übertragungszeit t TT,95 und Standardabweichung
der Aktualisierungszeit t UT,SD angegeben. Entsprechend
dieses Wertes erfolgt die Zuweisung zu einer
Performance-Klasse nach den Gleichungen (11–13). Zusätzlich
und unabhängig von der Zuordnung zu einer
der drei Performance-Klassen wird die messtechnisch
ermittelte gesamte Verfügbarkeit als Maß für das Fehlerverhalten
ausgewiesen. Die definierten Performance-
Klassen bewerten somit das Zeitverhalten einer Funklösung.
Die Verfügbarkeit bewertet das Fehlerverhalten.
ZUSAMMENFASSUNG
Mit den erfolgreich entwickelten Testverfahren dieses
Forschungsvorhabens haben nun Hersteller die Möglichkeit,
durch Labormessungen frühe Aussagen über
die Leistungsfähigkeit ihrer Funksysteme für eine bestimmte
Anwendungsklasse und -umgebung zu treffen.
Da die Emulatormessung im Gegensatz zu Messungen
in realen Umgebungen deterministisch und damit reproduzierbar
ist, können zum Beispiel verschiedene
Hard- und Softwareversionen vergleichend getestet
werden. Dies ist mit Messungen in einer realen Umgebung
nicht möglich.
Die vorgeschlagenen Performance-Klassen A, B, C mit
einer zusätzlichen Angabe der absoluten und zeitabhängigen
Verfügbarkeit bieten Herstellern und Anwendern
atp edition
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55

HAUPTBEITRAG
die Möglichkeit, für eine bestimmte Anwendungsklasse
eine optimale Funklösung zu entwickeln beziehungsweise
auszuwählen.
Die Ergebnisse sollen als Richtlinienblatt „Messtechnische
Performance-Bewertung von Funklösungen für industrielle
Automatisierungsanwendungen“ zur VDI/VDE-
Richtlinie 2185 veröffentlicht werden. Es richtet sich an
Hersteller industrieller Funklösungen, an Planer indust-
rieller Funkanwendungen, an Betreiber industrieller
Funkanwendungen, an Funktechnologielieferanten sowie
an Normungsgremien für die industrielle Kommunikation
und die Funkkommunikation.
MANUSKRIPTEINGANG
29.01.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
DANKSAGUNG
Die Finanzierung dieses Forschungsvorhabens
erfolgte im Rahmen des IGF-Vorhaben 16192 BG/2
der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium
Maschinenbau e.V. – FKM, Lyoner Straße 18,
60528 Frankfurt am Main. Es wurde über die Allianz
Industrie Forschung (AIF) im Rahmen des Programms
zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung
und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
gefördert. Der Abschlussbericht ist erhältlich von:
Deutsche Forschungsgesellschaft für
Automatisierung und Mikroelektronik e.V. (DFAM),
Jutta Langosch, Lyoner Str. 1, D-60528 Frankfurt,
E-Mail: jutta.langosch@vdma.org,
Internet: www.dfam.de
REFERENZEN
[1] VDI/VDE 2185: Funkgestützte Kommunikation in der
Automatisierungstechnik (Radio based communication
in industrial automation), September 2007
[2] FITS: Entwicklung von Standardtests zur einheitlichen
Bewertung industrieller Funklösungen. Ergebnisbereicht
IGF 16192 BG, http://www.dfam.de
[3] ISA SP100.11a: Draft Standard, 21.12.2007
[4] NE 124: Wireless Automation Requirements, 2009
[5] H. Gerlach-Erhardt, B. Kärcher: Alles unter einem
Dach – Wireless-Technologien der PNO sind komplett.
In: Tagungsband 9. VDI-Jahrestagung Wireless
Automation 2010, S. 85-92. VDI-Wissensforum 2010
[6] P. Neufeld, D. Block, U. Meier: Echtzeitfähige Vermessung
und Emulation industrieller Funkkanäle.
In: Tagungsband 12. Wireless Technologies Kongress,
S. 77-86. VDI Verlag 2010
[7] D. Block, H. Trsek, U. Meier: Real-Time Characterization
of Fast-Varying Industrial Wireless Channels.
Vortrag RADCOM 2013 - Radar, Communication and
Measurement, April 24 - 25, 2013
[8] A. Gnad, L. Gollub, L. Rauchhaupt: Multi-Functional
Interface for Tests of Industrial Wireless Solutions.
In: Proc. Embedded World Conference 2008, [CD].
Franzis 2008
AUTOREN
Prof. Dr.-Ing. UWE MEIER
(geb. 1959) leitet das Fachgebiet
Hochfrequenztechnik
im Institut für industrielle
Informationstechnik (inIT)
der Hochschule Ostwestfalen-Lippe
in Lemgo. Seine
derzeitigen Forschungsarbeiten
liegen im Bereich
‚Performance-Bewertung von industriellen
Funklösungen‘ und ‚Koexistenzoptimierung
industrieller Funksysteme durch kognitive
Ansätze‘.
inIT – Institut für industrielle Informationstechnik
Hochschule Ostwestfalen-Lippe,
Liebigstraße 87, D-32657 Lemgo,
Tel. +49 (0) 5261 70 21 50,
Fax: +49 (0) 5261 70 21 37 oder 70 23 73,
E-Mail: uwe.meier@hs-owl.de
Dr.-Ing. LUTZ RAUCHHAUPT
(geb. 1959) ist Leiter des
Forschungsschwerpunktes
Drahtlose Industrielle
Kommunikation am Institut
für Automation und Kommunikation
e.V. Magdeburg
(ifak). In dieser Funktion
leitet er nationale und
internationale Forschungs- und Entwicklungsprojekte
zu den Schwerpunkten Spezifikation,
Implementierung und Analyse industrieller
Kommunikationsprotokolle und -profile. Seit
über zehn Jahren konzentriert sich seine Arbeit
auf funkgestützte industrielle Kommunikation.
ifak – Institut für Automation
und Kommunikation e.V. Magdeburg,
Werner-Heisenberg-Str. 1, D-39106 Magdeburg,
Tel. +49 (0) 391 990 14 95,
Fax: +49 (0) 391 990 15 90,
E-Mail: lutz.rauchhaupt@ifak.eu
56
atp edition
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Engineering von
Prozessleitsystemen
– so geht‘s
Das praxisorientierte Lehrbuch befasst sich mit der Einrichtung von
Prozessleitsystemen. Anhand einer experimentellen Forschungsanlage
werden die Herausforderungen hinsichtlich Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit
dargestellt. Auch auf Modularisierung und virtuelle
Inbetriebnahme von Anlagen geht der Autor ein.
Hrsg.: Leon Urbas
1. Auflage 2014
ca. 300 Seiten, schwarz/weiß mit Schmuckfarbe, Hardcover
ISBN: 978-3-8356-3362-9
Preis: € 49,80
www.di-verlag.de
Das Buch erscheint im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München
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Bestellung per Fax: +49 201 / 820 Deutscher 02-34 Industrieverlag oder GmbH abtrennen | Arnulfstr. und 124 im | Fensterumschlag 80636 München einsenden
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Engineering von Prozessleitsystemen
1. Auflage 2014 – ISBN: 978-3-8356-3362-9 für € 49,80 (zzgl. Versand)
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Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen in Textform (z.B.
Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform.
Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH,
Versandbuchhandlung, Postfach 10 39 62, 45039 Essen.
Bankleitzahl
Ort, Datum, Unterschrift
Kontonummer
PAEVPL2013
Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich
vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medien und Informationsangebote informiert und beworben werde.
Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

HAUPTBEITRAG
Smart Meter Gateway als
Vorbild für die Automation
BSI-Richtlinie erhöht Informationssicherheit
Die Kommunikationstechnik für die Zählerfernauslesung (Smart Metering) und für die
Energieerzeugungs- und -verteilnetze (Smart Grid) hat das Potenzial, zu einer der ersten
hoch skalierten M2M-Anwendungen zu werden. In den vergangenen Jahren konnten zwei
vielversprechende Entwicklungen im Umfeld der drahtlosen Kommunikation für die
Smart-Grid-Kommunikation vorbereitet werden, die das Marktgeschehen über Deutschland
und über die Versorgungstechnik hinaus beeinflussen könnten. Neben der Spezifikation
der OMS-Gruppe ist die Erarbeitung eines Schutzprofils (Protection Profile, PP)
sowie einer Technischen Richtlinie (TR) für die Kommunikationseinheit eines intelligenten
Messsystems (Smart Meter Gateway) durch das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik
(BSI) zu nennen. Diese greifen, wie der Beitrag beschreibt, den Stand
der Technik auf und geben praxisorientierte Umsetzungen vor.
SCHLAGWÖRTER BSI Schutzprofil / Sicheres Smart Meter Gateway / PKI
Smart meter gateway as model for automation –
Do official guidelines increase information security?
The communication technologies for automatic meter reading (smart metering) and for
energy production and distribution networks (smart grids) have the potential to be one of
the first highly scaled M2M-applications. In recent years, there have been two very promising
developments for wireless smart grid communications which could have an impact
far beyond energy automation.
In addition to the specifications of the OMS Group, the German Federal Office for Information
Security has developed a protection profile (PP) and a technical directive (TR) for
the communication unit of an intelligent measurement system (Smart Meter Gateway),
which were released in March 2013. This design uses state of the art technologies and
specifies their implementation in real-life systems.
KEYWORDS Protection profile / secure smart meter gateway / PKI
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atp edition
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AXEL SIKORA, Hochschule Offenburg
Die Kommunikationstechnik für die Zählerfernauslesung
(Smart Metering) und für die Energieerzeugungs-
und -verteilnetze (Smart Grid)
hat nicht erst seit der Energiewende Konjunktur.
Das Thema wurde von der Europäischen
Kommission schon 2002 auf den Weg gebracht [1]. Allerdings
hat der deutsche Energiemarkt in diesem Bereich
lange Zeit keine Vorreiterrolle eingenommen. Es blieb
bislang bei fast allen Energieversorgern bei kleineren
Feldtests. Das wird sich nun dank zweier außerordentlich
positiver Entwicklungen im Umfeld der drahtlosen Kommunikation
für Smart-Grid-Anwendungen ändern.
Die Gruppe Open Metering System (OMS) hat einen
Kommunikationsstandard erarbeitet, der auf dem Metering
Bus (M-Bus) und seiner drahtlosen Erweiterung,
dem Wireless M-Bus nach EN 13757-4 [2], basiert. Dieser
OMS-Standard beschreibt die unteren beiden Schichten
(physical layer, data link layer) und die Applikationsobjekte
für Elektrizität, Gas, Wasser und Wärme [3]. Er enthält
auch Vorgaben für die Gewährleistung der Datensicherheit
[4].
Die zweite Entwicklung nimmt darauf Bezug. Vor dem
Hintergrund der möglichen Bedrohungen im Umfeld der
Smart-Grid-Kommunikation formulierte die Bundesregierung
früh die Anforderungen an die Sicherheitsarchitektur
intelligenter Netze, um Datenschutz und Datensicherheit
zu gewährleisten. Daher wurde das Bundesamt
für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI)
durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
(BMWi) im September 2010 mit der Erarbeitung
eines Schutzprofils (Protection Profile, PP) sowie im
Anschluss einer Technischen Richtlinie (TR) für die
Kommunikationseinheit eines intelligenten Messsystems
(smart meter gateway) beauftragt, um einen einheitlichen
Sicherheitsstandard für alle Marktakteure zu
schaffen. Diese Arbeiten sind mit der Veröffentlichung
der ersten verabschiedeten Version 1.0 im März 2013
vorläufig abgeschlossen [5]. Nach § 21d des Energiewirtschaftsgesetzes
(EnWG) ist diese Kombination aus Kommunikationsnetz
und Messeinrichtung verpflichtend in
den Haushalten bestimmter Kundengruppen einzubauen,
wobei die Anforderungen an Datenschutz und Datensicherheit
erfüllt werden müssen.
Es ist davon auszugehen, dass diese Richtlinien aus
zwei Gründen Modellcharakter auch für andere Branchen
haben werden:
Das Ergebnis der Arbeiten mit dem Schutzprofil und
den technischen Richtlinien ist mustergültig und
stellt einen (meist) sinnvollen Kompromiss zwischen
dem technisch Möglichen und wirtschaftlich
Machbaren dar. Dabei ist das erreichte Sicherheitsniveau
anspruchsvoll, nimmt aber auf viele praktische
Aspekte Rücksicht. Es basiert auf bewährten
Protokollen aus der IT-Welt. Der Versuch, eine Parallelwelt
zu entwickeln, wurde glücklicherweise
nicht unternommen.
Hierbei scheuten die Verfasser sich nicht, auf Verfahren
und Vorgaben von potenziellen (teilüberlappenden)
Konkurrenten, wie den Common Criteria
[10, 11], zurückzugreifen beziehungsweise auf diese
zu verweisen.
Zusätzlich wurden weitere Vorgaben in Bezug auf
den korrekten Einsatz dieser Protokolle erarbeitet,
die zur Sicherheit im praktischen Einsatz beitragen.
Der Prozess zur Erarbeitung der Schutzprofile und
Richtlinien ist ebenfalls als erfolgreich zu bezeichnen,
weil er innerhalb kurzer Zeit zu tragfähigen
und zukunftsfähigen Ergebnissen geführt hat. Dabei
gelang es gleichermaßen, die führende Hand des
Staates und die praktischen und wirtschaftlichen
Belange der Industrie zu berücksichtigen. Andere
Beispiele von übergreifenden Abstimmungsprozessen,
wie bei der elektronischen Gesundheitskarte,
zeigen, dass dies nicht selbstverständlich ist.
Um Missverständnisse zu vermeiden: Dem Autor wie allen
anderen Beteiligen sind sehr wohl eine Reihe von Schwächen
im Detail bekannt. Diese halten ihn jedoch nicht davon
ab, die große Entwicklungslinie für vorbildlich zu halten.
Generell erscheint es immer weniger sinnvoll, die Sicherheitslösungen
allzu anwendungsspezifisch zu definieren.
atp edition
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59

HAUPTBEITRAG
Erstens werden die Anforderungen – und die verwendeten
Basisprotokolle, wie IP – immer ähnlicher, sodass die technische
Notwendigkeit in zunehmendem Maße entfällt. Zweitens
verbauen allzu spezifische Lösungen die Möglichkeit
von integrierten, gewerkeübergreifenden Lösungen.
Deshalb erscheint es plausibel, dass sich die Automatisierungstechnik
den anderen Anwendungsbereichen
anschließt und auf die Erfahrungen der kostengünstigen
und skalierbaren IP-basierten Protokolle zurückgreift.
In Bezug auf die Automatisierungstechnik soll dieser
Beitrag die Aktivitäten anderer Assoziationen und Allianzen,
wie der ISA 99, nicht entwerten, sondern im Gegenteil
anregen.
1. DRAHTLOSE SENSOR- UND AKTORNETZWERKE
Drahtlose Sensor- und Aktornetzwerke haben anwendungsübergreifend
Eingang in reale Netzwerke gefunden.
Um Missverständnisse zu vermeiden, wird im Beitrag
auf die im technischen Sprachgebrauch verbreitete
Bezeichnung Wireless Sensor Actuator Networks
(WSAN) verzichtet, weil unter dieser Bezeichnung auch
die drahtlose Erweiterung von Profinet-IO-Devices vermarktet
wird. Dabei sind sie ein wesentliches Element
des entstehenden Internet der Dinge (Internet of things,
IoT) und erlauben die flexible Anbindung der cyberphysischen
Systeme (CPS). Folgende grundlegende Aussagen
lassen sich für solche Netzwerke übergreifend über
alle Anwendungsgebiete machen.
Die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke
erreichen nur eine geringe Reichweite und Bandbreite,
aber das zu geringen Kosten und geringem Energiebedarf,
was die Anbindung der Sensoren und
Aktoren technisch und wirtschaftlich in vielen Fällen
überhaupt erst ermöglicht.
bilden nur lokale Netzwerke, die auf ein oder wenige
Büros, eine oder wenige Produktionszellen, Prozessanlagen,
ein oder wenige Krankenzimmer oder
ein Wohngebäude beschränkt sind.
ergänzen die bestehenden Netzwerke in Richtung
einer dezentralen Peripherie. Sie sind in keinem der
Fälle für die gesamte Kommunikation zuständig,
sondern werden dann eingesetzt, wenn
die kabelgebundene Anbindung zu teuer oder
technisch unmöglich wäre, oder
eine Anbindung über drahtlose Weitverkehrsnetze
im Sinne herkömmlicher Machine-to-Machine-
Kommunikation (M2M) unter Nutzung von GPRSoder
UMTS-Netzwerken in Anschaffung und
Betrieb zu teuer, energetisch unmöglich oder in
Bezug auf das Zeitverhalten zu langsam wäre.
Alle Erwartungen, dass die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke
eine dominierende Rolle bei der Abwicklung
des Datenverkehrs spielen würden, erscheinen insbesondere
für die Automatisierungstechnik eher marketinggetrieben
als technisch fundiert.
Die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke
können zwar Information für lokale zeitnahe Regelungsvorgänge
austauschen, benötigen in vielen
Fällen aber eine Anschaltung an die übergeordneten
Netzwerke, um ein ausreichendes Monitoring,
sowie eine Einbindung in ein übergreifendes,
derzeit meist zentralisiert organisiertes Leitsystem
zu erreichen. In diesem Zusammenhang
ist insbesondere auch die Anbindung der verteilten
Sensoren und Aktoren an die Embedded
Cloud zu erwähnen.
sind in besonderer Weise in Bezug auf die Datensicherheit
zu schützen. Dies ist darauf zurück zu führen,
dass
Quaternärkommunikation
zwischen Marktteilnehmern
Backend-Server
(Marktteilnehmer 2)
Backend-Server
(Marktteilnehmer 1)
Adminstrator
Tertiärkommunikation
(Wide Area Network, WAN)
Generator
Sensor
Aktor
Benutzerschnittstelle
Sekundärkommunikation
(Home Area Network, HAN)
Gateway
Sensor
Sensor
Primärkommunikation
(Local Metrological Network, LMN)
BILD 1:
Mehrstufige Architektur (A1)
für drahtlose Sensor-Aktor-
Netzwerke in sehr stark räumlich
verteilten Anwendungen.
60
atp edition
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aufgrund der zunehmenden Nutzung der Luftschnittstelle
Angriffe ohne unmittelbaren physischen
Zugang möglich sind,
sie einen direkten Zugriff auf die Sensoren, vor
allem aber auch auf die Aktoren erlauben,
sie durch die häufige Anbindung an übergeordnete
Netzwerke einen Backdoor-Zugang in diese
erlauben können,
sie aufgrund ihrer – aus Kosten- und Energiegründen
– meist sehr beschränkten Hardware-
Ressourcen nur grundlegende Aufgaben bei der
Absicherung übernehmen können.
Unter Datensicherheit werden im Beitrag die typischen
Anforderungen Vertraulichkeit, Integrität, Authentifizierung,
Autorisierung, Unabweisbarkeit und Verfügbarkeit
verstanden [6]. Sicherheit lässt sich erreichen durch
das Vermeiden von Gefahren oder durch den Schutz vor
Gefahren.
1.1 Mehrstufige Architekturen
Auf Grund der im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen
Sachverhalte ergeben sich mehrstufige
Netzwerkarchitekturen, bei denen die drahtlosen Sensor-Aktor-Netzwerke
die unterste Ebene darstellen. Die
Bilder 1 und 2 veranschaulichen zwei typische Architekturen.
Bild 1 zeigt die mehrstufige Architektur für drahtlose
Sensor-Aktor-Netzwerke in sehr stark räumlich verteilten
Anwendungen, im Folgenden als A1 bezeichnet. Anwendungsbeispiele
sind das Smart Metering, Telehealthoder
Telecare-Anwendungen, die Hausautomation aber
ebenso das Monitoring in der Prozessautomation und der
Logistik. In dieser Architektur werden vier Netzwerkebenen
unterschieden:
Die Primärkommunikation oder im Falle des Smart
Metering das Local Metrological Network (LMN)
erlaubt die Anbindung von Sensoren an einen Datensammler.
Die Sekundärkommunikation stellt den Zugriff von
lokalen Benutzern auf die lokalen Daten zur Verfügung.
Diese erfolgt nach der Architektur über das
Gateway – und nicht über den Datensammler oder
über das Backend.
Die Tertiärkommunikation ermöglicht als Weitverkehrsnetz
(wide area network, WAN) die Anbindung
an die Backend-Systeme und Marktteilnehmer.
Die Quaternärkommunikation erlaubt den Datenaustausch
zwischen Marktteilnehmern.
Bild 2 zeigt die mehrstufige Architektur A2 für die Automationspyramide
in räumlich konzentrierteren Anwendungen.
Typische Anwendungsbeispiele kommen
aus den Bereichen Industrie- oder Prozessautomation
sowie aus der Gebäudeautomation. Im weiteren Sinne
können auch Automotive-Netze hier eingeordnet werden.
Im Unterschied zur Architektur A1 gibt es umfangreiche
lokale Netzwerke auf verschiedenen Ebenen, die
klassischerweise über dezentrale Gateways verschaltet
und über ein zentrales Gateway mit globalen Netzwerken
verbunden werden.
1.2 Gateways
Der mehrstufige Aufbau erfordert Kopplungselemente
zur Verbindung der unterschiedlichen Ebenen. Da diese
Kopplung in der Regel auf Anwendungsebene durchgeführt
wird, hat sich der Begriff der Gateways durchgesetzt.
Gateways haben unabhängig von der Architektur
folgende Aufgaben zu erfüllen:
Visualisierung
Weitverkehrsnetz
Leitgerät
Steuergerät
Steuergerät Steuergerät Steuergerät
Gateway
Feldgerät
Feldgerät
Sensor
Feldgerät/
Gateway
Aktor
Sensor
BILD 2:
Mehrstufige Architektur (A2)
für drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke
in räumlich konzentrierteren
Anwendungen.
atp edition
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61

HAUPTBEITRAG
Sie müssen die physische Anbindung an die verteilten
Sensoren und Aktoren ermöglichen und damit
deren Protokolle auf den Schichten 1 bis 4 unterstützen.
In Abhängigkeit von den zeitlichen Zugriffsmöglichkeiten
muss Information zwischengespeichert
werden können.
Sie müssen die physische Anbindung an die übergeordneten
Netzwerke und damit deren Protokolle
auf den Schichten 1 bis 4 unterstützen. Auch in diese
Richtung muss das Gateway in Abhängigkeit von
den zeitlichen Zugriffsmöglichkeiten Information
zwischenspeichern können. Im Zusammenhang mit
der Kopplung muss dann entsprechend eine Umsetzung
dieser Protokolle erfolgen.
In der Regel kommen in den Netzwerken der unteren
Ebenen deutlich einfacher strukturierte Datenmodelle
als in den oberen Ebenen zum Einsatz, sodass
eine Formatumsetzung auch auf der Anwendungsebene
notwendig wird. Deswegen wird von einem
Gateway gesprochen, weil die Übersetzung auf Anwendungsebene
(Schicht 7) erfolgt.
Herkömmliche Client-Server-Systeme sind für die
Kommunikation von zwei asymmetrischen Partnern
ausgelegt. Um diese Beschränkung auf 1:1-Beziehungen
aufzubrechen, die zum Beispiel den Einsatz
herkömmlicher Webclients nur eingeschränkt erlauben
würden, werden Portalserver eingesetzt, die den
Verkehr auf mehrere Server verteilen.
In der Regel übernehmen die Gateways als Koordinatoren
die Aufgaben der Netzwerkverwaltung in
den untergeordneten Netzwerken. Diese kann
funktionale Aufgaben beinhalten wie die Adressvergabe
oder die Zugriffsteuerung, aber ebenso
Sicherheitsaufgaben, wie die Schlüssel- und Verbindungsverwaltung,
die Benutzerverwaltung und
die zugehörige Authentifizierung und Autorisierung.
Auch Filteraufgaben (Firewall) gehören zum
Aufgabenumfang.
1.3 Vergleich der Anforderungen
Beim Vergleich der beiden Architekturen A1 und A2
ergeben sich wesentliche Unterschiede. Bei verteilten
Systemen (A1) ist schon die Primärkommunikation zwischen
Datenpunkt und dem Gateway in zweierlei Hinsicht
öffentlich. Erstens werden zunehmend Funksysteme
eingesetzt und zweitens wird in den meisten Fällen
über öffentlich zugängliche Bereiche übertragen. Automationsnetze
(A2) sind stattdessen klassischerweise in
doppelter Hinsicht geschützt: Sie haben den Schutz über
mehrere Netzwerkebenen und werden dort jeweils über
Gateways und Firewalls vor unerlaubtem Zugriff geschützt.
Sie befinden sich räumlich häufig im Betriebsgelände,
das nicht allgemein zugänglich ist.
Diese Unterschiede werden herangezogen, um zu begründen,
warum die Sicherheitsarchitekturen der verteilten
Systeme nicht in räumlich konzentrierten Umgebungen
(A2) umgesetzt werden können. Diese beiden
Aspekte verändern sich aber zunehmend, wie in den
folgenden Punkten erläutert und in Bild 3 gezeigt wird.
Insbesondere im Bereich der Prozessautomation werden
sehr wohl große Netze aufgebaut, die nicht nur
auf ein Firmengebäude beschränkt sind. Dies führt
dazu, dass der physische Zugriff nicht mehr so limitiert
werden kann, wie dies bei ganz lokalen Netzen
in einzelnen Produktionszellen der Industrieautomation
klassischerweise erfolgen konnte.
Bei Anwendungen in der Prozess- und Industrieautomation
kommen zunehmend drahtlose Übertragungsprotokolle
für Sensor-Aktor-Netzwerke zum
Einsatz. Damit ist die räumliche physische Begrenzung
nicht mehr so aufrechtzuerhalten, wie dies in
den klassischen drahtgebundenen Protokollen der
Fall war. Trotz dieses Risikos weisen viele der drahtlosen
Kommunikationsprotokolle für Anwendungen
der Prozess- und Industrieautomation nur ein geringes
Schutzniveau auf.
Beide Architekturen lassen sich durch einen unmittelbaren
Zugriff von Bediengeräten erweitern (Bild 3).
Dies bedeutet, dass zum Beispiel auf ein Sensor- oder
Aktorelement auch lokal zugegriffen werden kann,
um beispielsweise zu parametrisieren, Messdaten
auszulesen oder ein Firmware Update durchzuführen.
Wenn dieser Zugriff durch eine drahtlose
Schnittstelle erfolgt, stellen diese Erweiterungen
eine wesentliche Veränderung der Sicherheitsarchitektur
dar, weil dadurch ein unkontrollierter Zugang
(backdoor) zu den Geräten und den Netzwerkverbindungen
eröffnet wird. Es ist deswegen von zentraler
Bedeutung, diese Zugriffe abzusichern.
2. BSI-RICHTLINIEN
Die Gateways besitzen in Bezug auf die Absicherung der
Kommunikationsstrecken eine zentrale Stellung. Die
funktionalen und sicherheitsbezogenen Bestandteile der
BSI-Richtlinien müssen entsprechend umgesetzt werden.
Die Erfahrung aus vielen Projekten zeigt, dass diese
Umsetzung bislang sehr spezifisch und damit immer
wieder neu und in vielen Fällen nicht vollständig erfolgt
ist. Deswegen erscheint es dem Autor als ein wesentlicher
Schritt, dass diese Bestandteile nun umfassend in
der BSI-Richtlinie beschrieben sind. Die Vorgaben betreffen,
wie in Bild 1 gezeigt,
die Absicherung der Kommunikation zwischen Sensor
und Gateway (local metrological network, LMN,
vergleiche Abschnitt 2.1),
die Absicherung der Kommunikation mit externen
Teilnehmern und damit unter Umständen auch einem
Backend-System oder der fälschlicherweise so
benannten Embedded Cloud im Weitverkehrsnetz
(wide area network, WAN, siehe Abschnitt 2.2),
die Absicherung der Kommunikation zwischen
Gateway und weiteren Benutzern, sowie aktiv geschalteten
Lasten (home area network, HAN, vergleiche
Abschnitt 2.3),
die Absicherung und die Architektur des Gateways
an sich, deren wesentliche Eigenschaften in Abschnitt
2.4 erläutert werden.
62
atp edition
9 / 2013

BILD 3:
Mehrstufige Architektur (A2) für
draht lose Sensor-Aktor-Netzwerke in
räumlich konzentrierteren Anwendungen
mit verteilten Benutzerschnittstellen.
Visualisierung
Leitgerät
Weitverkehrsnetz
Steuergerät
Steuergerät Steuergerät Steuergerät
Gateway
Feldgerät
Feldgerät
Feldgerät/
Gateway
Benutzerschnittstelle
Benutzerschnittstelle
Sensor
Aktor
Sensor
2.1 Absicherung der Primärkommunikation
Die Absicherung der Primärkommunikation muss sich
– wie bei den anderen Kommunikationsstrecken – auf
beide Übertragungsrichtungen beziehen. Die in Abschnitt
2.2 erwähnten Schutzziele müssen in Bezug auf
die Kommunikation vom Datensammler zum Gateway
und vom Gateway zum Datensammler gewährleistet werden.
Insbesondere muss sichergestellt werden, dass sich
über den Kommunikationskanal weder der Datensammler
noch das Gateway angreifen lassen.
Generell wird eine symmetrisch verschlüsselte Datenübertragung
gefordert, wobei als häufigste Variante
die bewährte AES-Verschlüsselung zum Einsatz kommen
wird. Wird eine bidirektionale Kommunikation
unterstützt, bei der zum Beispiel Konfigurationsdaten
oder eine neue Firmware in den Datensammler übertragen
werden können, dann muss zusätzlich beidseitig
authentifiziert werden. Ferner ist zu berücksichtigen,
dass die Verwendung eines statischen Schlüssels
hohe Risiken birgt. Entsprechend wird ein dynamischer
Schlüssel gefordert. Ein sicherer Austausch von
gemeinsamen Schlüsseln, wie sie dann in effizienten
symmetrischen kryptografischen Verfahren eingesetzt
werden können, ist mit Hilfe von asymmetrischen
kryptografischen Verfahren möglich, die unter Verwendung
von Zertifikaten gleichzeitig die Authentifizierung
erlauben.
Eine solche Abfolge wird im Bereich der Internet-Protokollfamilie
schon seit Jahren vor allem beim Transport
Layer Security Protocol (TLS) eingesetzt und so ist es
sinnvoll, auf das gleiche Protokoll zurückzugreifen. TLS
liegt in der Version 1.2 vor und hat über seinen Vorgänger
Secure Socket Layer (SSL) schon mehrere Revisionen
durchlaufen, in denen sukzessiv beobachtete Sicherheitslücken
geschlossen wurden [7, 8]. Der Aufbau für
die Primärkommunikation ist dahingehend beschrieben,
dass das Gateway als TLS-Server und der Sensor als TLS-
Client agieren und zum Beginn einer TLS-Session eine
beidseitige Authentifizierung durch den Austausch der
Zertifikate erfolgt.
Die Implementierung von TLS stellt hohe Anforderungen
an die Rechenleistung der beteiligten Mikrocontroller
und an den Kommunikationskanal. Aus diesem
Grund darf eine solche Session, während der ein statischer
Schlüssel verwendet wird, maximal einen Monat
(31 Tage) aufrecht erhalten werden, bevor eine neue Session
mit einem neuen Schlüssel ausgehandelt werden
muss. Alternativ muss eine Session nach der Übertragung
von 5 Megabyte Nutzdaten neu aufgebaut werden.
Eine Wiederaufnahme der Session (Session Resumption)
innerhalb dieser Zeit ist erlaubt, eine Neuverhandlung
(Renegotiation) nicht.
Da TLS-Pakete recht lang sein können, wird eine zusätzliche
Fragmentierungsschicht eingeführt. Die Definition
des Authentication and Fragmentation Layer
(AFL) kann als generisches Beispiel verstanden werden,
wie eine standardkonforme TLS-Verbindung auch über
bandbreitenbegrenzte und fehlerbehaftete Kanäle übertragen
werden kann.
Um die Einbindung von kostengünstigeren Sensoren
zu ermöglichen, wird ein zweiter Weg der Gefahrenvermeidung
eröffnet. Die Verwendung von statischen
Schlüsseln für symmetrische Verschlüsselungsverfahren
ist im unidirektionalen Betrieb erlaubt.
Auf diese Weise können zumindest die Sensoren
nicht angegriffen werden. Dabei ist davon auszugehen,
dass auf Grund der höheren Rechenleistung das
Gateway ein besseres Monitoring im Hinblick auf
Intrusion-Detection-Systeme (IDS) oder Intrusion-
Prevention-Systeme (IPS) und Filterfunktionen
(Firewall) unterstützen kann.
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9 / 2013
63

HAUPTBEITRAG
2.2 Absicherung des Weitverkehrsnetzes
Die Kommunikation in das Weitverkehrsnetz wird mit
TLS mindestens der Version 1.2 abgesichert. Ein Fallback
auf eine ältere TLS-Version darf nicht möglich sein. Für
die Kommunikation mit Teilnehmern im WAN muss das
Gateway immer in der Rolle des TLS-Client und die Gegenstelle
in der Rolle des TLS-Servers agieren. Dabei
muss immer ein beidseitig auf Zertifikaten basierender
authentifizierter TLS-Kanal aufgebaut werden. Die Zertifikate
müssen hierbei aus der Smart-Metering-Public-
Key-Infrastruktur stammen.
Wichtig erscheint der Aspekt, dass das Gateway keine
TLS-Verbindungen akzeptiert, die von Teilnehmern aus
dem WAN initiiert werden. Das Gateway kann jedoch für
einen bestimmten Fall über den Wake-Up-Dienst veranlasst
werden, eine TLS-Verbindung zu einem vorkonfigurierten
Administrator aufzubauen. Auf diese Weise lässt sich ein
zeitnaher Zugriff vom Administrator unterstützen, ohne
dass ein zusätzliches Sicherheitsrisiko eröffnet wird.
Eine TLS-Session darf maximal für zwei Tage betrieben
werden. Eine Wiederaufnahme der Session (session
resumption) ist in dieser Zeit erlaubt. Mit dieser verschärften
Anforderung wird den in der Regel größeren
Ressourcen von Gateway und Anlagen im Backend Rechnung
getragen.
2.3 Absicherung des lokalen Netzes
Der Zugriff von lokalen Benutzern ist von großer Bedeutung,
um direkt vor Ort auf Daten zugreifen zu können.
Im Zusammenhang mit Smart-Grid-Anwendungen ist in
diesem HAN auch der Anschluss von fernsteuerbaren
Geräten (controllable local systems, CLS) möglich. Darunter
werden dezentrale Erzeuger wie PV-Anlagen,
Blockheizkraftwerke und größere Verbraucher verstanden.
Diese können vom Backend gesteuert werden, wobei
das Gateway im Wesentlichen die Funktion eines sicheren
Proxy übernimmt. Die jeweiligen TLS-Verbindungen
werden jeweils im Gateway terminiert.
Neben weiteren Beschränkungen ist darauf hinzuweisen,
dass der Zugriff auf die Datensammler nicht unmittelbar
erfolgen darf. Ein schreibender Zugriff kann
(wie in Abschnitt 2.1 erläutert) nur nach einer zweiseitigen
Authentifizierung über das Gateway ablaufen. Die
eichrelevanten Einheiten sind vom Zugriff komplett
ausgenommen.
2.4 Gateway-Architektur
Um die in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen
Absicherungen durchführen zu können, hat das Gateway
eine Reihe von zentralen Aufgaben für die Verwaltung
und die Speicherung zu erfüllen. Es ist ein besonders
zu schützendes Objekt, da bei einer Manipulation des
Gateways die gesamte Sicherheitskonzeption in Frage gestellt
werden muss. Aus diesem Grund wird gefordert,
dass in dem Gateway ein Sicherheitsmodul eingesetzt
wird. Bei einem solchen Sicherheitsmodul handelt es sich
entweder um einen getrennten Baustein oder um einen
– mittlerweile in einigen leistungsfähigen Prozessoren –
integrierten Funktionsblock, der in besonderer Weise
REFERENZEN
[1] 2002/91/EC: Directive 2002/91/EC of the European
Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the
energy performance of buildings. http://europa.eu/legislation_summaries/other/l27042_en.htm
[2] EN-13757: Communication systems for meters and remote
reading of meters. Part 1: Data exchange, Part 2: Physical and
link layer, Part 3: Dedicated application layer, Part 4: Wireless
meter readout (Radio meter reading for operation in the 868 MHz
to 870 MHz SRD band), Part 5: Relaying, Part 6: Local Bus.
[3] OMS: Open Metering System Specification, Volume 2, Primary
Communication, OMS, Issue 3.0.1 / 2011-01-29. http://oms-group.
org/download/OMS-Spec_Vol2_Primary_v301.pdf
[4] OMS: OMS Technical Report 01 Security.
http://oms-group.org/download/OMS-TR01_Security_v110.pdf
[5] BSI: Smart Metering Systems – Intelligente Mess systeme.
https://www.bsi.bund.de/DE/Themen/SmartMeter/smartmeter_node.htm
[6] Sikora, A.: Technische Grundlagen der Rechnerkommunikation:
Internet-Protokolle und Anwendungen. Carl Hanser Verlag 2003
[7] Oppliger, R.: SSL and Tls: Theory and Practice.
Artech House 2009
[8] Jaeckel, S., Braun, N., Sikora, A.: Design Strategies for
Secure Embedded Networking. In: A.U.Schmidt,
M. Kreutzer, R. Accorsi (Hrsg.) Long-Term and Dynamical
Aspects of Information Security:Emerging Trends in
Information and Communication Security, S. 149-155.
Nova Science Publisher 2007
[9] Trusted Computing Group:
https://www.trustedcomputinggroup.org
[10] The Common Criteria, http://www.commoncriteriaportal.org/
[11] BSI: Guidelines for Developer Documentation according to
Common Criteria Version 3.1 Version.
http://www.commoncriteriaportal.org/files/ccfiles/
CommonCriteriaDevelopersGuide_1_0.pdf
[12] Sikora, A.: Privacy and Trust Management in Safety-Related
Car2X Communication. In: B. Bhargava, S.M. Thampi,
P. Atrey (Hrsg.), Managing Trust in Cyberspace. CRC Press,
im Druck
64
atp edition
9 / 2013

auch gegen mechanische Angriffe geschützt ist. Vorgaben
zu einem solchen Trusted Platform Module (TPM) gibt es
im Allgemeinen von der Trusted Computing Group [9].
Die Vorgaben des BSI fordern ein nach Common Criteria
(CC) zertifiziertes Modul mit speziellen Vorgaben.
Als zentrale Komponente stellt das Sicherheitsmodul
die kryptografische Identität des Gateways sicher und
dient als Service Provider für kryptografische Operationen.
Ein solches zentrales Modul ist sinnvoll, weil es viele
sicherheitstechnische Probleme löst und damit hilft,
die anderen Systemelemente möglichst kostengünstig
auszugestalten. In Bezug auf die Übertragbarkeit auf die
Automatisierungstechnik ist allerdings darauf hinzuweisen,
dass in den Systemen des Smart Metering keine Redundanz
vorgesehen ist, sodass ein Single Point of Failure
in den notwendigen Erweiterungen vorzusehen ist.
Das Sicherheitsmodul stellt insbesondere Funktionen
zur Schlüsselgenerierung, zur Erzeugung und Verifikation
von Digitalen Signaturen und zur Schlüsselaushandlung
unter Nutzung von kryptografischen Verfahren mit elliptischen
Kurven (ECC) bereit. Weiterhin dient das Sicherheitsmodul
als zuverlässige Quelle für Zufallszahlen und
als sicherer Speicher von Schlüsseln und Zertifikaten. Es
unterstützt ferner einen authentisierten und gesicherten
Kanal zwischen dem Gateway und dem Sicherheitsmodul.
Die Implementierung des Gateways soll auf dem Evaluation
Assurance Level (EAL) 4+ der Common Criteria
erfolgen und wird dementsprechend überprüft. Diese
EAL stellt hohe Anforderung an die Organisation und
Struktur der Entwicklungsabläufe.
Die Hardware-Unterstützung durch das TPM ist auch
eine wichtige Voraussetzung für die Skalierbarkeit des
AUTOR
Prof. Dr.-Ing. AXEL SIKORA
(geb. 1966) ist seit 2011
Professor für Embedded
Design und Kommunikationselektronik
an der
Hochschule Offenburg.
Er beschäftigt sich
mit seinem Team mit der
Konzeption und Umsetzung
von sichereren und effizienten Embedded
Kommunikationslösungen vor allem für
industrielle Anwendungen.
Hochschule Offenburg,
Badstraße 24, D-77652 Offenburg,
Tel. +49 (0) 781 20 54 16,
E-Mail: axel.sikora@hs-offenburg.de
Gesamtsystems, da eine größere Zahl von Schlüsseln
sicher gespeichert und die Aushandlung dieser Schlüssel
effizient unterstützt werden kann. Die Erfahrung aus
der Car-to-Car-(C2C)-Kommunikation zeigt, dass sich mit
einer solchen Architektur potenziell sehr große und dynamische
Installationen umsetzen lassen [12].
3. KOSTEN UND NUTZEN
Es ist offensichtlich, dass die gesamten in Abschnitt 2
beschriebenen Maßnahmen zusätzliche Kosten hervorrufen.
Allerdings muss gleichzeitig das Vorurteil ausgeräumt
werden, dass Sicherheit nur Kosten, aber keinen
Nutzen hervorrufen würde. Klar ist, dass die Absicherung
eines Systems keine funktionale Erweiterung
darstellt.
Es ist aber ebenso akzeptiert, dass ein funktional sicherer
Betrieb (im Sinne von Safety) ohne Datensicherheit
(Security) nicht möglich ist. Können Funktionen durch
Netzwerk- oder Geräteangriffe manipuliert, im zeitlichen
Verhalten beeinflusst oder außer Betrieb gesetzt werden,
kann die Verfügbarkeit empfindlich eingeschränkt und
der sichere Betrieb nicht mehr garantiert werden.
Darüber hinaus ist die Nutzerakzeptanz ein wichtiges
Kriterium. Sie ist gefährdet, falls Sicherheitslücken bekannt
werden. Dies gilt im übergreifenden Fall einer
Akzeptanz durch die Bevölkerung für das Smart Metering
genauso wie im speziellen Fall der Investitionsentscheider
für automatisierungstechnische Anlagen. Auf
der Kostenseite sind die Total Cost of Ownership (TCOO)
während der gesamten Lebensdauer und damit Investionen
und Betriebsausgaben zu berücksichtigen.
FAZIT UND AUSBLICK
Mit den Schutzprofilen und den technischen Richtlinien
für die Anwendungen aus dem Smart Metering wurde
für eine limitierte Anwendung, die aufgrund ihres
öffentlichen Charakters ohnehin staatliche Vorgaben
erfüllen muss, eine zeitgemäße und weitreichende Sicherheitsarchitektur
entwickelt. Diese Architektur hält
Gegenmaßnahmen für viele Risiken bereit, die auch in
den sich stets weiter entwickelnden Netzwerken der
Automatisierungstechnik auftreten, dort aber bislang
selten so übergreifend und nachhaltig beantwortet wurden.
Deswegen ist zu hoffen, dass diese Sicherheitsarchitektur
auch für diese Anwendungen Vorbild für neuere
Entwicklungen sein wird. Die Gründe für diesen
Optimismus liegen zum einen in den immer höheren
Anforderungen der Automatisierungstechnik an die
Anlagensicherheit, die ohne Informationssicherheit
nicht zu erreichen ist, und zum anderen an den immer
geringer werdenden Kosten für die zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen.
MANUSKRIPTEINGANG
20.04.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
atp edition
9 / 2013
65

IMPRESSUM / VORSCHAU
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„INTEGRATION VON FELDGERÄTEN“
Konfigurationsmanagement
im Anlagenlebenszyklus –
Effiziente Versionsverwaltung
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FDI-Spezifikation integriert
EDD und FDT – Teil 1:
Herausforderungen, Lösungsansätze
und erste Umsetzung
Selbsterklärende Geräte –
Abbildung semantischer
Information auf
Parameter mit EDD
AT-Geräteintegration im
Lebenszyklus – Bestandsaufnahme
und Ausblick
Aus aktuellem Anlass können sich die Themen
kurzfristig verändern.
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TELEFON:
+ 49 (0) 931 417 04 59
66
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5. SIL-Sprechstunde
Funktionale Sicherheit
17. + 18.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.sil-sprechstunde.de
nicht nach
Schema F
Veranstaltungskonzept
Termin
Ort
Haben Sie Fragen zur Anwendung der Normen
IEC 61508, IEC 61511 oder VDI / VDE 2180? Sind Sie
gefordert, die eingetretenen Pfade zur Erlangung der
Sicherheit zu verlassen? Dann sind Sie hier richtig!
Reichen Sie Ihre Fragen rund um SIL ein. Diskutieren
Sie mit Experten über die aktuellen Themen der
Funktionalen Sicherheit am 17. und 18. September
2013 in Mannheim!
Dienstag, 17.09.2013
Veranstaltung (11:30 – 17:15 Uhr)
„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:00 Uhr)
Mittwoch, 18.09.2013
Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)
Pepperl+Fuchs GmbH
Lilienthalstr. 200
68307 Mannheim
Programm
Moderation: Anne Purschwitz
geb. Hütter, atp edition
SIL und Ex-Schutz (NE 138, VDI/VDE 2180 Bl. 6)
SIL von elektrotechnischen Komponenten (NE 142)
Diagnose durch automatisches Testen
Funktionale Sicherheit bei Nieder- &
Mittelspannungsschaltanlagen
Sicherheitstechnische Bewertung ohne
Probabilistik (50156)
PFD-Berechnung bei nichtkonstanten
Ausfallraten
Referenten
Thomas Gabriel, Bayer Technology Services GmbH
Dirk Hablawetz, BASF SE
Martin Herrmann, Infracor GmbH
Dr. Andreas Hildebrandt, Pepperl+Fuchs GmbH
Udo Hug, BImSchG § 29a Sachverständiger
Dr. Thomas Karte, Samson AG
Dr. Gerold Klotz-Engmann,
Endress+Hauser Messtechnik GmbH + Co. KG
Josef Kuboth, Landesamt für Natur, Umwelt und
Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen
Patrick Lerévérend, Pepperl+Fuchs GmbH
Dr. Bernd Schrörs, Bayer Technology Services
Heiko Schween, HIMA Paul Hildebrandt GmbH + Co KG
Peter Sieber, Bilfinger alpha msr GmbH
Johann Ströbl, TÜV Süd Industrie Service GmbH
Teilnahmegebühren
atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.
Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.
reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.
Studenten kostenlos
(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)
Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen
sowie die Verpflegung während der Veranstaltung
(inkl. gemeinsames Abendessen).
Anmeldung
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,
das vollständige Programm sowie die Online-
Anmeldung finden Sie im Internet unter
www.sil-sprechstunde.de
DIV Deutscher Industrieverlag GmbH
Anne Purschwitz geb. Hütter
Arnulfstraße 124
80636 München
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E-Mail: purschwitz@di-verlag.de
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Pepperl+Fuchs GmbH
Sandra Achenbach
Lilienthalstraße 200
68307 Mannheim
Tel.: +49 (0) 621 776-2176
Fax: +49 (0) 621 776-1108
E-Mail: sachenbach@de.pepperl-fuchs.com
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3. Feldbus-Sprechstunde
Feldbus in der
Prozessindustrie
19. + 20.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.feldbus-sprechstunde.de
Veranstaltungskonzept
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(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)
Termin & Ort
Termin: Do., 19.9.2013 + Fr., 20.9.2013
Ort: Pepperl+Fuchs GmbH
Lilienthalstr. 200
68307 Mannheim
Programm & Anmeldung
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,
das vollständige Programm sowie die Online-
Anmeldung finden Sie im Internet unter
www.feldbus-sprechstunde.de
4. Explosionsschutz-Sprechstunde
Explosionsschutz
18. + 19.11.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.explosionsschutz-sprechstunde.de
Veranstaltungskonzept
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oder zur Anwendung der einschlägigen Normen zum
Explosionsschutz? Dann sind Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre
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2013 in Mannheim!
Termin & Ort
Termin: Mo., 18.11.2013 + Di., 19.11.2013
Ort: Pepperl+Fuchs GmbH
Lilienthalstr. 200
68307 Mannheim
Teilnahmegebühren
■ atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.
■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.
■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.
■ Studenten kostenlos
(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)
100 € Frühbucherrabatt bei Buchung bis 8.10.2013
Programm & Anmeldung
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,
das vollständige Programm sowie die Online-
Anmeldung finden Sie im Internet unter
www.explosionsschutz-sprechstunde.de

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Inge Matos Feliz: Tel.: +49 89 203 53 66-22
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